煤礦深立井馬頭門圍巖歷時穩(wěn)定性及其控制技術(shù).pdf

1、深井多呈現(xiàn)出工程地質(zhì)條件復(fù)雜、地壓大等特點。由于深立井馬頭門位處礦井咽喉部位，設(shè)計斷面大，在施工過程中，圍巖反復(fù)受到擾動，因此，深立井馬頭門破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)安全。針對上述技術(shù)難題，以確保深立井馬頭門圍巖穩(wěn)定和支護結(jié)構(gòu)安全為目的，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地開展了深立井馬頭門圍巖歷時穩(wěn)定性分析、控制技術(shù)與應(yīng)用等方面的研究。論文的主要研究工作及成果如下:
　　(1)

2、試驗室內(nèi)展開深部地層砂質(zhì)泥巖的三軸蠕變試驗，在線性伯格斯模型的基礎(chǔ)上建立變參數(shù)非線性黏彈塑性伯格斯蠕變本構(gòu)模型。它可以完整的描述砂質(zhì)泥巖在較低應(yīng)力水平和超過破裂應(yīng)力水平下的蠕變力學行為。采用萊芬博格-馬奎特算法對該模型的蠕變參數(shù)進行了辨識，發(fā)現(xiàn)在同一級應(yīng)力水平下砂質(zhì)泥巖蠕變模型的軸向、徑向應(yīng)變參數(shù)有所差異，砂質(zhì)泥巖的蠕變變形具有各向異性的特征，數(shù)值計算二次開發(fā)時蠕變模型參數(shù)取值需要考慮不同應(yīng)力水平下巖石蠕變的各向異性。
　　(2)

3、以淮南某礦副井馬頭門為原型，建立馬頭門大型三維數(shù)值計算模型，結(jié)合深部地層巖石蠕變試驗提出的變參數(shù)非線性伯格斯蠕變模型，進行了基于ABAQUS的用戶本構(gòu)模型二次開發(fā)，并應(yīng)用于深立井馬頭門圍巖歷時穩(wěn)定性的三維數(shù)值模擬分析。數(shù)值計算揭示了馬頭門圍巖位移場和應(yīng)力場分布規(guī)律以及塑性區(qū)的分布特征。指出隨著時間推移和馬頭門的分步開挖，硐室圍巖主要應(yīng)力集中區(qū)呈現(xiàn)“歷時三區(qū)轉(zhuǎn)化”規(guī)律。建立了一套完整的大型深立井馬頭門歷時數(shù)值分析方法，可對馬頭門的圍巖穩(wěn)定

4、性進行評價，數(shù)值分析結(jié)果能夠為深立井馬頭門圍巖變形控制與支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供有力依據(jù)。
　　(3)研制煤礦深立井馬頭門大型三維物理模型試驗裝置，首次采用光纖、電法和電阻式傳感器等聯(lián)合測試系統(tǒng)，得到了煤礦深井馬頭門分步開挖過程中的應(yīng)力場、位移場和松動范圍變化規(guī)律。由光纖測試結(jié)果可知，井筒和馬頭門交界處圍巖受井筒和馬頭門開挖影響顯著，圍巖受影響范圍約300mm，相當于實際工程中的影響范圍為15m;馬頭門兩邊圍巖受影響范圍約200mm，

5、相當于實際工程中的影響范圍為10m。井筒和馬頭門開挖，引起圍巖應(yīng)力減少，距離馬頭門頂板2～3m處，圍巖最小應(yīng)力降為原巖應(yīng)力的20～30％左右。電法測試系統(tǒng)所測得松動圈厚度基本為200mm～300mm，和光纖測試結(jié)果一致。
　　(4)依據(jù)深立井馬頭門數(shù)值計算與模型試驗揭示的圍巖歷時穩(wěn)定性演化規(guī)律，結(jié)合工程應(yīng)用監(jiān)測結(jié)果，針對深立井馬頭門的地質(zhì)條件、施工過程和支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出系列深立井馬頭門圍巖變形控制技術(shù)。采用地面預(yù)注漿技術(shù)，加固馬

6、頭門上下段井壁圍巖及馬頭門大硐室頂?shù)装鍑鷰r，提高軟弱巖體的承載能力。從裝藥結(jié)構(gòu)、爆破參數(shù)以及周邊控界爆破技術(shù)等方面控制爆破對圍巖的擾動。在馬頭門大硐室與兩側(cè)后續(xù)巷道之間施工一排密集深鉆孔，隔離鄰近硐室施工和變形擾動對已支護馬頭門襯砌和圍巖的穩(wěn)定性影響。包括上、下口段井壁，深立井馬頭門兩側(cè)硐室襯砌混凝土的整體澆筑段長度由目前的3m左右加長到6～8m。將信號硐室和液壓泵站等硐室支護結(jié)構(gòu)與馬頭門支護結(jié)構(gòu)同時施工，避免后續(xù)施工對已澆筑井壁的擾動

7、影響。針對深立井馬頭門的圍巖賦存深度、主要巖性和斷面尺寸等因素提出連接段井壁和馬頭門硐室支護結(jié)構(gòu)的分級策略。
　　(5)將深部馬頭門圍巖控制技術(shù)成功應(yīng)用到兩淮礦區(qū)的多對深立井馬頭門工程中。發(fā)現(xiàn)深部地層馬頭門支護結(jié)構(gòu)的鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變及硐室斷面收斂變化曲線100天左右以后逐漸趨緩，馬頭門圍巖與支護結(jié)構(gòu)形成有效共同作用體，硐室變形得到了有效控制。馬頭門附近硐室的施工容易造成深立井馬頭門變形加速，嚴重的會造成結(jié)構(gòu)的破損，因此需要實時