復雜圍巖環(huán)境井巷工程多介質結構耦合控制技術研究.pdf

1、隨著煤炭開采深度與強度的不斷增加,因埋深大、斷面大、地質構造復雜多變、水理作用和工程擾動力等因素造成井巷圍巖環(huán)境劣化,導致承載結構體破壞失效,基于淺部易開采應力場的圍巖控制理論與支護技術已難以確保井巷圍巖穩(wěn)定,井巷支護難題已成為制約礦井生產(chǎn)技術水平進一步提高的瓶頸之一,亟需有新的井巷支護理論與技術來指導井巷工程維護,確保煤礦的安全生產(chǎn),研究復雜圍巖環(huán)境井巷工程多介質結構耦合控制技術具有重要的理論意義和應用價值。
　　論文綜合應用工

2、程地質調查、理論分析、相似材料模擬實驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測等方法和手段,分析了復雜圍巖環(huán)境井巷圍巖失穩(wěn)破壞特征與演化過程,提出了多介質結構耦合支護機理及控制技術,并成功地將研究成果應用于復雜圍巖環(huán)境井巷支護的工程實踐。得到以下主要成果:
　　(1)復雜圍巖環(huán)境是指井巷圍巖條件發(fā)生劣化,常規(guī)的施工或支護(維護)方法無法滿足安全要求的地下工程環(huán)境,已成為決定井巷工程安全與否的主導因素。復雜圍巖環(huán)境的存在將導致井巷圍巖具有載荷大且多變,

3、位移大且方向各異;應力分布復雜,變形特征復雜,破壞(運移)形態(tài)復雜,即“二大三復雜”的變形破壞特征。
　　(2)提出了“多介質結構耦合控制技術”的概念,認為多介質結構耦合控制技術是針對井巷地質條件,圍巖應力狀態(tài)、物理力學性質、變形破壞特征以及相關因素發(fā)生系統(tǒng)性改變,以兩種或兩種以上不同介質構成的承載結構體相互作用(力學行為非線性耦合)而形成的系統(tǒng)支護形式。初次支護形成的小承載結構體系,控制巷道塑性區(qū)的發(fā)展,使得圍巖蠕變減緩,并處于

4、相對穩(wěn)定狀態(tài);二次支護形成的―多層次的復雜耦合承載系統(tǒng)‖,即大承載結構體系,改善巷道圍巖的物理力學性能和應力狀態(tài),確保井巷圍巖在服務期限內長時穩(wěn)定。
　　(3)建立了大小承載結構體系,揭示多介質結構耦合條件下的“支架-圍巖”相互作用關系。小承載結構體系是指由初次支護體、注漿體、破碎區(qū)錨固巖體及部分塑性區(qū)煤巖體等不同介質間材料性能、結構性能的耦合形成的人工承載結構體系,在整個耦合支護系統(tǒng)中起到了主要承載作用;―大承載結構體系‖是指由

5、錨索或高強度剛性支架等構成的二次支護體、初次支護體、破壞區(qū)、塑性區(qū)的煤巖體,及部分彈性區(qū)巖體等不同介質間材料性能、結構性能的耦合形成的人工承載結構體系。小承載結構體系以承載能力的方式對深部破裂圍巖提供較高的徑向約束,使破裂巖體發(fā)揮應力強化特性,控制該體系以外的承載結構向圍巖深部擴展的運移速率;通過錨索等二次支護體對小承載結構體系進行強化加固支護,增強小承載結構體系的承載能力,使圍巖的應力狀態(tài)由塑性極限平衡狀態(tài)恢復到彈性狀態(tài),抑制深部圍巖

6、發(fā)生流變,從而促使大承載結構體系在服務期限內保持穩(wěn)定狀態(tài)。采用彈塑性力學理論對小承載結構體系的極限承載能力進行了力學理論分析,推導出小承載結構體系的彈塑性極限承載能力以其比值的計算表達式。
　　(4)復雜圍巖環(huán)境井巷工程支護原則為:優(yōu)化巷道斷面尺寸及幾何形狀,實現(xiàn)支護體與圍巖在結構上的耦合;及時封閉暴露圍巖,加強對地下水和底臌的防治;卸壓、讓壓、加固與支護相結合;分兩階段進行耦合支護和實行設計、施工、監(jiān)測相結合。富水型復雜圍巖環(huán)境