深部?jī)A斜巖層巷道非均稱變形演化規(guī)律及穩(wěn)定控制.pdf

1、本文采用工程調(diào)研、理論分析、物理模擬和數(shù)值計(jì)算等研究手段,總結(jié)歸納了傾斜巖層巷道頂板、底板和兩幫及四角的分區(qū)變形破壞特征,描述了不同區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布特征,闡明了巷道不同區(qū)域圍巖非均稱變形的產(chǎn)生機(jī)理,揭示了巷道圍巖不同區(qū)域不均勻變形的時(shí)空演化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出了控制傾斜巖層巷道非均稱變形的穩(wěn)定控制技術(shù),并進(jìn)行工程驗(yàn)證研究。主要結(jié)論如下:
　　(1)深部?jī)A斜巖層巷道圍巖變形表現(xiàn)出明顯的時(shí)序性特征。圍巖變形破壞的一般順序依次是巷道頂板

2、和巖層層面相切部位、巷道底板和高幫底角、低幫底角,最后發(fā)展到高幫肩角處。力學(xué)分析表明,巷道表面切應(yīng)力方向和巖層傾向夾角越小,非均稱變形的顯現(xiàn)時(shí)間越早,其中巷道高幫表現(xiàn)為拉伸破壞,低幫表現(xiàn)為剪切破壞。
　　(2)參與研制了20MPa-“三向五面”豎向主加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用新型模塊化設(shè)計(jì),采用計(jì)算機(jī)集成控制和自動(dòng)采集模型的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠?qū)υ噳K進(jìn)行三個(gè)方向5個(gè)面的獨(dú)立伺服加載,每個(gè)面主動(dòng)加載應(yīng)力為20MPa,各面加載互不干

3、擾,能夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求較好地實(shí)現(xiàn)不同的三維應(yīng)力狀態(tài)。模擬試塊最大尺度為1000×1000×400mm。
　　(3)利用三維物理模擬實(shí)驗(yàn)揭示了深部?jī)A斜巖層巷道圍巖變形的非均稱特征。開(kāi)展了30°和45°兩種傾角的實(shí)驗(yàn),測(cè)試分析均表明:巷道高幫表面變形小,但是內(nèi)部圍巖裂紋發(fā)育豐富,橫向裂紋沿巷道軸向相互貫穿;巷道低幫表面變形較大,但內(nèi)部橫向裂紋發(fā)育相對(duì)較少;巷道頂板高幫肩角的變形量小,低幫肩角變形量大;底板變形量表現(xiàn)出高幫底角處側(cè)變形量大

4、,低幫底角側(cè)的變形量小。大傾角時(shí)兩幫非均稱現(xiàn)象更加顯著,底板的非均稱現(xiàn)象減弱。
　　(4)采用數(shù)值模擬揭示了不同傾角下巷道圍巖非均稱變形的發(fā)展態(tài)勢(shì)。采用3DEC數(shù)值模擬軟件建立了10°到90°角度范圍內(nèi)的14種不同巖層傾角的巷道模型,模擬結(jié)果表明:巷道底板變形非均稱性隨巖層傾角的增加而單調(diào)減小,當(dāng)傾角大于45°后底板變形非均稱性趨緩;巷道兩幫水平位移隨巖層傾角傾角增加而逐漸增加,垂直位移則逐漸減小;頂板位移峰值點(diǎn)在巖層和巷道相切點(diǎn)

5、兩側(cè),并隨巖層傾角增加而逐漸向低幫轉(zhuǎn)移,巷道頂板水平位移量逐漸增加,垂直位移量逐漸減小。當(dāng)巖層傾角小于15°或者大于80°時(shí),巷道圍巖的最大主應(yīng)力等值線呈圓形分布,此時(shí)巖層傾角對(duì)于巷道主應(yīng)力分布影響小。當(dāng)巖層傾角大于15°而小于80°時(shí),以巖層傾向和法向線為坐標(biāo)系,在每個(gè)象限的平分線上有較大的主應(yīng)力靠近巷道表面。巷道圍巖周?chē)淖畲笾鲬?yīng)力等值線呈“四葉草”型分布,其中分布中心在巷道中心。
　　(5)以30°傾角為例研究了圍巖應(yīng)力狀態(tài)

6、對(duì)巷道非均稱變形的影響規(guī)律。側(cè)壓系數(shù)等于1時(shí),巷道圍巖位移等值線沿通過(guò)巖層和巷道切點(diǎn)的巖層法線左右對(duì)稱,巖層層間滑移離層顯現(xiàn)近似的對(duì)稱特征;側(cè)壓系數(shù)大于1時(shí),巷道圍巖位移區(qū)集中在巷道兩幫內(nèi),層間滑移離層區(qū)集中在巷道頂?shù)装鍍?nèi);側(cè)壓系數(shù)小于1時(shí),巷道圍巖位移區(qū)集中在巷道頂?shù)装逯?巖層層間滑移離層區(qū)集中在巷道兩幫。巷道圍巖位移量、圍巖位移范圍、層間滑移量、層間滑移范圍和巷道圍巖應(yīng)力大小成正比,應(yīng)力越大變形特征越明顯。
　　(6)提出圍巖

7、“應(yīng)力優(yōu)化-性能提升-結(jié)構(gòu)強(qiáng)化”技術(shù)思路,系統(tǒng)創(chuàng)新了控制非均稱變形的加固技術(shù)。提出了巷道圍巖優(yōu)先加固區(qū)的概念,即傾斜巖層在圍巖應(yīng)力作用下早期出現(xiàn)的非均稱變形破裂區(qū)域,將導(dǎo)致巷道圍巖的持續(xù)加速變形和結(jié)構(gòu)性失穩(wěn),應(yīng)優(yōu)先加固。
　　(7)提出采用注漿及注漿錨索深孔注漿相結(jié)合的分步全長(zhǎng)錨固技術(shù)提升圍巖力學(xué)性能;結(jié)合優(yōu)先加固區(qū)和局部支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)、“三高”錨固技術(shù)和預(yù)應(yīng)力錨索桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)控制圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié);通過(guò)構(gòu)建內(nèi)外承載