深部巷道圍巖變形、破壞全過程及其穩(wěn)定控制機理

本項目以千米深埋高應(yīng)力巷道圍巖破壞失穩(wěn)為背景，在高應(yīng)力巷道圍巖破壞、支護(hù)平衡二維模擬試驗成果的基礎(chǔ)上，采用原位測試與三維模擬試驗的方法，緊緊圍繞高應(yīng)力巷道開挖、圍巖變形破壞全過程及其與支護(hù)相互作用機理這一關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究。通過開挖前在巷道圍巖預(yù)定的不同深度范圍內(nèi)置入多點位移及壓力測試元件，獲得巷道開挖后在不同支護(hù)結(jié)構(gòu)、不同支護(hù)強度狀態(tài)下全過程位移及應(yīng)力的變化規(guī)律；然后根據(jù)具體巷道的地質(zhì)與工程條件等，采用新研制的三維模擬實驗臺和先進(jìn)的數(shù)字圖像采集相關(guān)分析技術(shù)，全場追蹤模型觀測面上特征點的位置變化；研究建立深部高應(yīng)力巷道圍巖開挖、破壞、支護(hù)平衡演化的動態(tài)力學(xué)模型，揭示不同支護(hù)結(jié)構(gòu)和阻力對承載結(jié)構(gòu)演化影響的機理，獲得高應(yīng)力巷道的圍巖穩(wěn)定控制機理，為巷道合理支護(hù)結(jié)構(gòu)的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

《深部巷道圍巖破裂演化過程及其穩(wěn)定控制機理》采用大尺度三維模擬試驗、原位測試和數(shù)值模擬，對深部巷道圍巖破壞過程中的應(yīng)力、變形演化規(guī)律和破壞機制進(jìn)行了探討，同時對支護(hù)結(jié)構(gòu)作用和承載結(jié)構(gòu)形成機理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，提出了深部高應(yīng)力巷道破裂巖體的過程控制機理與技術(shù)。

《深部巷道圍巖破裂演化過程及其穩(wěn)定控制機理》可為巖土工程相關(guān)研究生教學(xué)參考，亦可作為從事深部巖土工程研究人員的參考用書。

1 緒論

1.1 問題的提出

1.2 深部巷道開挖與穩(wěn)定研究現(xiàn)狀

1.3 需要進(jìn)一步研究的問題

1.4 主要研究內(nèi)容與方法

2 三維模擬試驗臺系統(tǒng)及試驗設(shè)計

2.1 大尺度三維模型試驗臺的研制

2.2 單元應(yīng)力計的設(shè)計及測試方法

2.3 相似準(zhǔn)則導(dǎo)出

2.4 模型模化設(shè)計

2.5 相似模型的制作

2.6 參數(shù)量測

2.7 本章小結(jié)

3 深部巷道圍巖破裂演化規(guī)律及機理的試驗研究

3.1 試驗規(guī)劃及研究內(nèi)容

3.2 巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律

3.3 巷道圍巖內(nèi)部變形規(guī)律

3.4 巷道圍巖破壞特征與機制

3.5 支護(hù)作用機理及承載結(jié)構(gòu)特性分析

3.6 本章小結(jié)

4 深部巷道圍巖破裂演化規(guī)律的數(shù)值模擬研究

4.1 數(shù)值模擬內(nèi)容及計算模型

4.2 應(yīng)變軟化模型概述

4.3 采用應(yīng)變軟化模型的圍巖應(yīng)力演化規(guī)律

4.4 不同殘余強度對圍巖變形破壞的影響

4.5 后期強化模型分析

4.6 本章小結(jié)

5 深部巷道分區(qū)破裂化現(xiàn)象探討及圍巖過程控制技術(shù)

5.1 深部巷道圍巖分區(qū)破裂化探討

5.2 深部巷道圍巖過程控制機理與技術(shù)

5.3 本章小結(jié)

6 深部巷道圍巖控制技術(shù)及工程應(yīng)用

6.1 工程概況

6.2 原位實測分析

6.3 巷道支護(hù)方案設(shè)計

6.4 支護(hù)效果

6.5 本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)2100433B

本項目以巨野礦區(qū)典型的深井煤礦-趙樓煤礦為工程背景，針對深部高地應(yīng)力作用下厚頂煤巷道支護(hù)難題，通過現(xiàn)場實測、理論分析、材料研發(fā)、數(shù)值分析、模型試驗及現(xiàn)場試驗等手段相結(jié)合的方法，對深部厚頂煤巷道的變形破壞及圍巖控制機理進(jìn)行研究。 項目主要對通過深部厚頂煤巷道變形破壞規(guī)律現(xiàn)場實測研究，得到了趙樓煤礦深部厚頂煤巷道頂板圍巖不可控的主要原因及機制?；谒苄粤W(xué)的極限分析理論，采用廣義Hoek-Brown經(jīng)驗強度準(zhǔn)則，推導(dǎo)出了巷道頂板冒落的跡線方程，討論了不同巖體力學(xué)參數(shù)、圍巖應(yīng)力水平與支護(hù)荷載大小對頂板冒落范圍的影響。提出了深部厚頂煤巷道“先控后讓再抗”的耦合讓壓強力支護(hù)理念，改進(jìn)了自主研發(fā)的讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)。研制了新型柔性均布壓力加載裝置，基于趙樓煤礦3302工作面順槽地質(zhì)條件，針對讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)兩種典型支護(hù)方案（縱梁支護(hù)方案和橫梁支護(hù)方案）下的開挖支護(hù)過程進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究，得到了不同支護(hù)方案的巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律、圍巖變形規(guī)律及支護(hù)構(gòu)件的受力特性。建立了錨索梁支護(hù)系統(tǒng)對頂板圍巖作用的三維力學(xué)模型，對錨索梁支護(hù)系統(tǒng)不同布置方式作用下的頂板圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：縱橫組合方案在頂板圍巖中形成的圍壓狀態(tài)最佳，其次為縱向單梁方案。在典型工程趙樓煤礦設(shè)計并實施了讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)、工字鋼錨索梁支護(hù)系統(tǒng)及T型鋼帶錨索梁支護(hù)系統(tǒng)、U型鋼帶錨索梁支護(hù)系統(tǒng)4大類14種數(shù)值試驗和3大類11種方案的現(xiàn)場試驗。研究表明：讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)各方案比原支護(hù)方案效果顯著提高；讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)圍巖控制效果整體優(yōu)于工字鋼錨索梁支護(hù)系統(tǒng)且經(jīng)濟(jì)性高；讓壓型錨索箱梁4種支護(hù)方案中，巷道圍巖控制效果最好的為縱橫組合方案，其次為縱向單梁方案，再次為縱向雙梁方案，最后為橫梁方案。 通過理論計算、數(shù)值試驗與現(xiàn)場試驗結(jié)果綜合分析，最終得到了深部厚頂煤巷道圍巖變形破壞機理及讓壓型錨索箱梁控制機制。 2100433B