【摘要】：隨著開采深度的不斷增加,越來越多的煤礦進(jìn)入到深部開采階段,許多巷道都出現(xiàn)了不同程度的底臌破壞現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和煤礦的高效生產(chǎn),是一個亟需解決的工程問題。但由于深部巖體復(fù)雜多變的賦存條件,再加上高應(yīng)力、高地溫和高滲透壓這“三高”一擾動的影響,使得巷道底臌的變形破壞機(jī)理極其復(fù)雜。為了能夠控制深部軟巖巷道底臌,提出科學(xué)合理的底臌控制對策,就必須要圍繞深井軟巖巷道的底臌變形破壞開展相關(guān)的研究工作,掌握其變形破壞機(jī)理。多數(shù)深井軟巖巷道都處于沉積巖地層,巖層結(jié)構(gòu)對巷道圍巖產(chǎn)生的影響不容忽視,巖層結(jié)構(gòu)賦存特征是誘發(fā)巷道底臌的重要因素,因此在研究深井軟巖巷道底臌問題時應(yīng)當(dāng)把巖層的結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)去,需要圍繞層狀巖體深井軟巖巷道底臌變形破壞開展相關(guān)研究。本文針對深部緩傾斜層狀軟巖巷道底臌破壞問題,理論分析了層狀巖體巷道底板結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn),建立了緩傾斜層狀軟巖巷道底板巖梁的力學(xué)模型,并對底板巖梁的抗彎剛度、發(fā)生撓曲破壞的臨界撓度和臨界荷載進(jìn)行分析,研究了緩傾斜層狀軟巖巷道底臌破壞的主控因素。以不同的深部軟巖巷道為背景,開展了不同巖體結(jié)構(gòu)條件下層狀深井軟巖巷道底臌破壞的物理模型實(shí)驗(yàn),借助于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)以及應(yīng)變測量元件,獲取了實(shí)驗(yàn)過程中的應(yīng)力場、溫度場及位移場數(shù)據(jù),確定了不同巖體結(jié)構(gòu)條件下層狀深井軟巖巷道發(fā)生底臌的應(yīng)力條件及關(guān)鍵位置,獲得了底板巖層失穩(wěn)破壞前的異常溫度變化特征,揭示了巷道發(fā)生破壞過程中巷道圍巖的變形演化規(guī)律;同時利用3DEC離散元數(shù)值模擬軟件,對不同斷面形狀、不同巖層傾角、不同巖層厚度條件下的深部緩傾斜軟巖巷道底臌進(jìn)行了模擬,研究了巖層結(jié)構(gòu)效應(yīng)對巷道底臌的影響。通過對深部緩傾斜薄層狀圓形和直墻半圓拱形軟巖巷道底臌進(jìn)行研究得出了以下結(jié)論:(1)當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較小時,巷道圍巖的變形相對較小,巷道不會發(fā)生底臌破壞。隨著側(cè)壓力系數(shù)逐漸增加,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)達(dá)到一定的閾值后巷道才會發(fā)生底臌破壞;巷道發(fā)生底臌破壞的過程中,巷道圍巖的變形呈現(xiàn)出明顯的非對稱的特點(diǎn),巷道兩幫和底板的位移變化量相對較大,巷道頂板的位移變化量相對較小;(2)深部緩傾斜薄層狀圓形巷道發(fā)生底臌破壞的關(guān)鍵位置位于巷道的右底腳區(qū)域,底臌發(fā)生的過程為:首先底板巖層發(fā)生錯動,接著底板巖層開始向上產(chǎn)生撓曲并出現(xiàn)離層現(xiàn)象,隨后底板巖層發(fā)生折斷向上隆起發(fā)生嚴(yán)重的底臌破壞;(3)深部緩傾斜薄層狀直墻半圓拱巷道發(fā)生底臌破壞的關(guān)鍵位置位于巷道的右底腳,巷道發(fā)生底臌破壞的過程為:首先底板上部巖層產(chǎn)生向上的撓曲變形,隨著底板巖層撓曲變形的不斷增大,底板上部巖層與其下部的巖層分離產(chǎn)生離層現(xiàn)象,隨后底板上部巖層發(fā)生斷裂,其它巖層隨斷裂的底板向上隆起,最終巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的底臌破壞現(xiàn)象;(4)巷道圍巖發(fā)生破壞的過程伴隨著異常的溫度變化,巷道底板區(qū)域的巖層溫度出現(xiàn)升高和降低的現(xiàn)象,溫度升高說明底板巖層開始出現(xiàn)了錯動摩擦,溫度降低說明底板巖層受到損傷出現(xiàn)裂紋或裂紋擴(kuò)展者是巖體應(yīng)力狀態(tài)的降低,巷道圍巖的溫度異常特征范圍可以表征巷道圍巖破壞的范圍,因此巖體的溫度變化特征能夠在一定程度上反應(yīng)巖體的力學(xué)行為;(5)巷道底板巖層受到較高的張拉應(yīng)力,巷道底部的遠(yuǎn)側(cè)巖體受到較高的壓應(yīng)力,巷道發(fā)生底臌破壞前巷道圍巖體處于拉應(yīng)力狀態(tài),而巷道遠(yuǎn)側(cè)巖體處于壓應(yīng)力狀態(tài),巷道底板在這種拉壓共同作用下破壞失穩(wěn)發(fā)生底臌破壞。通過對深部緩傾斜厚層狀直墻半圓拱形軟巖巷道底臌進(jìn)行研究得出了以下的主要結(jié)論:(1)層狀巖體深井軟巖巷道,當(dāng)?shù)装鍨楹穸容^大的軟弱巖層時,當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)較小時,巷道開挖過程中圍巖也會產(chǎn)生一定的位移變形,其中巷道底板向上出現(xiàn)一定程度的隆起,底板的變形量大于兩幫和頂板的變形量;(2)巷道開挖進(jìn)尺對巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了不容忽視的影響,隨著開挖進(jìn)尺的不斷增加,首先巷道左底角和右底角區(qū)域的拉應(yīng)力增加,接著巷道頂部的拉應(yīng)力增加,巷道右底角遠(yuǎn)場巖體的拉應(yīng)力增加,巷道周圍一倍洞徑范圍的巖體基本都處于拉應(yīng)力狀態(tài);(3)巷道開挖過程中圍巖溫度的降低的原因主要包括應(yīng)力的減小以及微裂隙的產(chǎn)生以及裂紋的擴(kuò)展,底板巖層溫度的升高是由于底板巖層中的摩擦作用造成的,底板巖層之間發(fā)生錯動摩擦積聚了能量使溫度升高,圍巖的異常溫度變化特征可以在一定程度上表征巷道圍巖發(fā)生的力學(xué)變形行為。利用離散元數(shù)值模擬軟件3DEC對不同斷面形狀、不同巖層傾角、不同巖層厚度條件下的深部緩傾斜軟巖巷道底臌進(jìn)行了模擬,研究了不同巖層結(jié)構(gòu)條件下巷道圍巖的變形破壞特點(diǎn),巷道底臌破壞的關(guān)鍵位置,巷道發(fā)生底臌破壞過程中巷道圍巖的應(yīng)力演化過程以及底板巖層的運(yùn)移過程。通過以上的研究得出了以下主要結(jié)論:(1)深部緩傾斜層狀軟巖巷道,在其它巖層結(jié)構(gòu)條件相同只改變巷道斷面形狀的條件下,巷道圍巖的位移變形量有較大的不同,巷道斷面形狀對巷道的底臌量影響較大,當(dāng)巷道形狀由圓形變?yōu)橹眽Π雸A拱形或方形后,底板的變形量明顯增加;不同斷面形狀的軟巖巷道底臌破壞的關(guān)鍵位置都位于巷道的右底角區(qū)域;(2)深部緩傾斜層狀軟巖巷道,在其它巖層結(jié)構(gòu)條件相同只改變巖層傾角的條件下,巖層傾角在0°到30°范圍內(nèi),隨著巖層傾角的增大底板的底臌變形量明顯增加,圍巖變形的非對稱性更加明顯,巷道發(fā)生發(fā)生破壞的關(guān)鍵位置由巷道底板的中間位置向巖層傾角增大的方向轉(zhuǎn)移;(3)深部緩傾斜層狀軟巖巷道,在其它巖層結(jié)構(gòu)條件相同只改變巖層厚度的條件下,巷道圍巖的變形隨著巖層厚度的增加而逐漸減小,當(dāng)巖層厚度達(dá)到一定的值后,巖層厚度對巷道圍巖的影響較小;(4)深部緩傾斜層狀軟巖巷道發(fā)生破壞的過程為,首先巷道底板巖層在水平應(yīng)力的作用下產(chǎn)生向上的撓曲變形并與其底板下部巖層分離,隨著撓曲的逐漸增大底板巖層發(fā)生斷裂,底板下部巖層在水平力的擠壓作用下也向上產(chǎn)生撓曲變形致使巷道發(fā)生嚴(yán)重的底臌破壞;(5)深部緩傾斜層狀軟巖巷道發(fā)生底臌破壞的過程中,隨著巷道變形的不斷增大,巷道圍巖應(yīng)力重分布導(dǎo)致巷道底板巖層中出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū),巷道底板在拉壓應(yīng)力的共同作用下發(fā)生了底臌破壞。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD322
【圖文】：

技術(shù)路線圖

（c）唐山礦（埋深 960m） 圖 2.1 典型深部Fig.2.1 Failure of typ深部軟巖巷道底臌變形破壞的主要特（1）巷道底板的圍巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀巖層結(jié)構(gòu)和厚度其所產(chǎn)生的底臌破壞類曲破壞，而厚層狀的底板巖層則更多是巖層的強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)對于底臌的劇烈破壞現(xiàn)象更為明顯。（2）巷道所處的地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力要因素。特別是在深部復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境和采動應(yīng)力復(fù)雜，巷道在復(fù)雜的集中應(yīng)力（3）對軟弱圍巖來說，當(dāng)巷道有淋土礦物遇水軟化，體積膨脹，使得底板強(qiáng)（4）選擇合理的支護(hù)技術(shù)有利于限

2 緩傾斜層狀軟巖 道底臌力學(xué)模型及主控因素按式（2.9）計(jì)算所得的臨界荷載之前便已發(fā)生破壞。顯然用式（2.9）計(jì)算的結(jié)果并不是底板巖層在垂直應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力共同作用下發(fā)生撓曲破壞的臨界荷載。對于緩傾斜巖層的巷道來說，上述的水平層狀軟巖巷道底臌的力學(xué)模型有一定的局限性，通過對巷道圍巖的巖層結(jié)構(gòu)和受力進(jìn)行分析，建立了如圖 2.4 所示的緩傾斜巷道底板巖層受力模型，將底板巖層假設(shè)為兩端鉸支約束的巖梁，巖梁的傾角為 α，巖梁的荷載 q=γh，寬度 b=1，水平應(yīng)力為 P，長度為 l，厚為 m。

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本文編號：2796350