文摘

艰苦的巷道变形和破坏的第三水平轨道上的6号我平顶山煤集团作为工程背景。巷道围岩的相似模拟材料以石英砂为骨料,水泥作为胶结剂,监管机构选择和石膏粉。通过机械测试集与不同比例的标本,25日相似模拟材料的最佳比例模拟巷道的围岩变形与破坏的。之后,大规模的深矿井巷道模拟试验系统由公司独立开发的用于进行巷道变形和破坏测试。首先,负载测试身体的一组初始应力状态,然后进行正面的巷道的开挖和卸载;最后,负载在垂直方向,直到巷道壁损坏。它可以实现模拟巷道变形和破坏的实际效果的路径下“高压力+内部卸+压力调整。”后的结果表明,深巷道挖掘与预加载和高压力、围岩变形,失败,和不稳定的巷道主要经历三个时期:第一个时期是统一的巷道围岩的变形,第二个时期是发展时期的巷道围岩板结构,第三段是不稳定的时期的巷道围岩板结构。结合时间的变形和破坏巷道的围岩,围岩的破坏范围和站点的实际工程。一步一步结合巷道维修和支持计划”螺栓网+喷射混凝土+封闭式空心注浆锚索”以空心注浆锚索为核心的决心。 The stability of the repaired roadway has been significantly improved, ensuring the long-term use of the roadway.

1。介绍

能源和矿产资源是制约国民经济发展的重要因素,世界上所有的国家。浅的减少和枯竭资源在不同的国家,煤炭的开采深度和其他矿产资源在世界各国是逐年增加,规模变得越来越大。各种类型的井筒、巷道和洞穴挖掘之前需要挖掘。道路工程的顺畅和稳定是最基本的先决条件,以确保煤矿的正常生产。同时,巷道维护和灾难预防已经成为我的一个关键问题经济效益和安全生产,甚至确定资源开发的可行性和可持续发展的问题1- - - - - -3]。

unexcavated岩体地下矿山巷道的三维应力状态。开挖和卸载后,巷道围岩的靠近采空区在二维应力状态,开挖后的岩体和卸载将接受压力调整和其他影响,进而引起大变形等地质灾害,屋顶,和剥落肋在巷道的围岩,严重阻碍了矿井安全、高效生产。因此,整个力量巷道的围岩的过程可以被描述为“高地应力+开挖卸荷压力调整。“关键问题研究围岩的变形和破坏模式的道路,支持参数的确定巷道的问题导致巷道的围岩变形与破坏的深部开采过程中。许多岩石力学工作者通过各种方法和手段进行了系统的研究如理论分析、相似模拟、数值计算和现场测量4- - - - - -6]。唐、梁的相似材料模拟方法用于分析不规则煤炭的开采问题道路,上行开采方法的可用性研究,以及探讨了围岩破坏机理(7]。许等人基于地质模型的相关理论得到了类似的材料适合隧道衬砌通过匹配实验。单轴抗压强度等物理参数和凝聚力的类似材料进行了研究,为隧道衬砌(提供理论指导8]。周等人使用与圆形巷道物理相似材料模型和不同大小的直墙拱形洞研究巷道截面曲率半径的影响在失败9]。刘等人进行了岩爆模拟测试与圆柱形小孔立方花岗岩样品,分析了裂缝形状和不同侧压力下岩爆能量变化,并讨论了岩石破裂过程中声发射序列,时频和时空演化特征10]。京等人依靠自主研发的地下工程结构不稳定过程模拟试验系统,进行大型物理模型试验的变形和断裂演化特征巷道的围岩,并揭示了内部压力和围岩的变形和断裂演化法(11]。此外,在控制巷道的围岩,李等人结合有限元法和弹塑性力学推导出蝴蝶形状的塑性区围岩的巷道和揭示了深部岩体的非均匀变形机制(12]。康等人提出了协调控制的概念高压锚注和喷射混凝土的围岩软弱破碎thousand-meter深井巷道。灌浆螺栓的性能、群锚和注浆材料和注浆的效果进行了研究。协调控制技术的高预应力锚棒,锚索support-high-pressure分裂灌浆modification-surface喷射混凝土形成了(13]。谢等人提出了支持锚定技术和水力强化承压拱,集密集和高强度锚杆承压拱,厚厚一层钢丝网和喷射混凝土拱和滞后grouting-reinforced拱,澄清拱起的机制和加强支持(14]。杨等人使用理论分析获得的变形机制断面thick-top煤巷道的围岩。和大量的数据通过现场应用和数值模拟,并结合所得数据,结合支持技术的“高预应力锚索+ u型锚索组合桁架”提出了(15]。玉等人探索的方法控制倾斜煤层的顶板变形,数值模拟和理论分析被用于建立力学模型的不同区域,不同顶板支护阻力和变形条件。根据屋顶载荷的变形特点,整个支持系统的功能进行了分析(16]。熊等人探讨了不对称变形和破坏的特点一个直角梯形巷道的围岩,和数值模拟方法用来进行深入研究围岩的水平和垂直的损害,并发现对称部分沿倾斜煤层显示明显的不均匀应力分布(17]。刘等人进行了多组压痕实验四种类型的岩石具有不同材料使用常数截面的方法。实验的主要目的是研究的整体破碎岩石在不同压痕(18,19]。

目前,在深埋巷道围岩稳定和控制技术方面,虽然出现了一些大规模的测试系统,由于负荷容量的限制,模拟方法,和测量技术,他们不能完全满足要求的真正繁殖深部巷道开挖和应力调整过程。结果,对一些关键理论问题的研究,如围岩的破坏机理和支持机制在复杂条件下,仍大大限制(20.,21]。为了研究的内部开挖卸荷深拱形巷道的围岩变形和破坏过程和机理引起的围岩应力调整在以后的阶段,自主研发的大型深矿井巷道模拟试验系统被用来进行相似模拟试验的“高地应力+开挖卸荷压力调整。“变形和破坏的方式不稳定围岩的巷道进行了分析;在此基础上,逐步结合巷道维修和支持项目“锚网喷射混凝土+封闭式空心注浆锚索“空心注浆锚索为核心的决心,和工程验证,和巷道的围岩控制是在良好的状态。

2。道路工程的概况和变形特征

2.1。道路工程的概述

艰难的道路的截面Pingmei第三水平轨道上的6号我是直墙拱;宽度是4.4米,高度为3.5米。支持方案采用螺栓的联合支持,网、电缆和喷射混凝土。和屋顶螺栓采用Ф20毫米×l2000毫米普通螺纹螺栓、钢和行之间的间距为700毫米×700毫米。锚采用Ф×17.8毫米l6000毫米钢链,行间距为1500 mm×1400 mm;钢网Ф3.5×50 mm;用于喷射混凝土的水泥是否定的。32.5普通硅酸盐水泥、沙子和水泥的体积比是1:2.5;100毫米厚度,如图1。

2.2。在巷道围岩变形特征和力学机理

2.2.1。巷道围岩的变形特征

通过现场调查、巷道变形和破坏的具有以下特点:巷道严重的两根肋骨向内挤压,剥落肋是严重的,双方之间的最大变形是高达1900毫米。四人帮的螺栓掉一部分,Σ-shaped巷道部分。巷道的屋顶有大量的沉没,本地大量净口袋出现,和锚索似乎被困在围岩和破碎,和屋顶和地板的最大变形达到1200毫米。巷道的变形和破坏形式如图2。

2.2.2。巷道围岩的变形力学机制

在高压力的环境中,有一个深埋巷道围岩大变形,与围岩的控制更加困难。(1)开挖后,围岩的稳定的道路变得更糟的是,大量的关节和围岩产生裂缝。随着时间的流逝,小裂缝发展和扩大,塑性区迅速转移到深的部分。如果没有有效的巷道围岩的控制,当围岩的损伤和变形的发展在某种程度上,剥落肋骨和屋顶会出现下降。(2)高地应力的作用下,巷道的围岩将继续变形随着时间的增加;也就是说,围岩的流变性质是显而易见的。支持结构不断受到高负载带来的围岩,最终导致巷道支护结构超过许用轴承强度和失败。同时,围岩加速了其变形、塑性区面积急剧增加,道路严重松弛和屋顶塌陷。

3所示。大规模的深部巷道相似模拟试验

3.1。道路工程的概述

3.1.1。选择相似的材料

基于相似材料的开发原则和类似的条件,我们有一个深入的理解不同的特点类似的材料在当前工程地质力学模型。类似的原料,选择石英砂作为骨料,水泥作为胶结剂,和石膏粉作为监管机构。由于调整的比率类似原料的组成,复合材料的主要力学参数将大大改变了。因此,25组不同比例使用正交设计方法(见表1)。复合材料的优点是简单处理技术,材料成本低,聚合级配合理、快速干燥、无毒、无害的,等等。图3显示类似的原材料。

3.1.2。相似材料的机械强度测试

主要的物理力学参数,如抗压强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角,凝聚力,抗拉强度可以通过设备测试rmt - 150岩石力学测试系统。通过上述标准试样力学测试、体积密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角、凝聚力,和其他25组的主要物理力学参数不同的材料比标本测量(见表1)。标本的受损状态图所示4。

通过分析225年主要物理力学参数的标本,发现类似材料的物理力学强度参数以石英砂为总有一个广泛的变化。例如,类似材料的体积密度在18.1∼19.9 kN / m³,抗压强度在0.53∼13.71 MPa,凝聚力是在0.08∼0.17 kPa,内摩擦角的范围28.4°∼33.8°,弹性模量是0.53∼0.86绩点的范围。因此,我们选择最能模拟相似材料的变形和破坏的道路。

3.1.3。选择的比率类似的材料

第三水平的艰苦的道路跟踪在我6号Pingmei煤炭有限公司有限公司是一个与泥质粉砂岩岩性岩石巷道,通过实验测定泥质粉砂岩的物理力学参数。表2显示的主要力学参数的测量结果在实际工作条件下围岩。选择最优相似比率相似材料的力学参数,在实际工作条件下围岩力学参数如下(22]:容重相似比例是1:1,强度相似比例是1:6,压力相似比例是1:6日力相似比例是1:216年,和内摩擦角相似比例是1:1。

基于围岩的主要力学参数在实际工作条件下,并结合主要力学参数从上述不同的比例获得材料试样,进行了比较分析;这是最合理的选择类似的材料与石英砂骨料比例为1:0.13:0.2泥质粉砂岩的模拟试验。

3.2。类似的模型试验系统组成

为了有效地模拟深部巷道围岩的变形和破坏特征在高地应力环境下,我们已经开发出一种大规模深矿井巷道模拟测试系统(图5),该模型长1500毫米,宽1000毫米,1500毫米高。模型的测试系统主要由反应台式设备,高压水喷射系统,液压加载系统和数据采集设备。上下,左右,前后的增压和安全与稳定模型完成智能液压设备。数据采集主要是合作完成智能液压控制装置、光栅微多点位移采集和分析系统和应力、应变数据采集软件(DHDAS2013)。

3.3。模型制作和巷道开挖加载测试

3.3.1。模型制作

模型的大小是1 500毫米×000毫米×500毫米,内部填充完成的模型是分层铺设,用电吹风,和具体操作步骤如下:进行逐层考虑根据相似材料的比率决定⟶搅拌均匀重类似材料混合器⟶铺平道路和紧凑的材料层从下到上的内部空间模型⟶埋测试组件在模拟巷道高度和截面距离200 mm的模型,并且包含细胞和应变砖的压力。

3.3.2。巷道开挖和加载的模型

巷道的开挖模型是一个直墙拱,半圆拱的半径是150毫米,和直墙的高度是150毫米。负载1.0 MPa的压力在顶部,底部,左,右,和前后的模型。当负载加载到预定值,维持负载大小不变,根据全剖面模拟巷道的开挖方法。和开挖进行巷道的圆沿轴,每个开挖长度是50毫米,总共20发掘工作完成。暂停每一步开挖后基坑稳定的数据和记录。巷道的开挖完成后,原来的围岩应力状态是维持4小时。4小时后,保持模型的其他压力不变,逐渐加载压力在垂直方向,直到巷道围岩剥落肋骨。的垂直应力巷道围岩的失败为2.4 MPa。早期的故障特征,初始阶段和晚期阶段巷道开挖图所示6。

3.3.3。分析测试结果

从故障特征的分析巷道的开挖前后的图6,发现巷道的围岩是在均匀变形阶段的初始阶段巷道开挖,如图6 (b)。之后,随着垂直压力逐渐增加,巷道的围岩裂缝边缘形成一层薄薄的岩石板;然而,岩石板不完全分离,形成一个结合岩石板,显示板裂结构。这种现象类似于围岩板深陷道路的失败,表明模拟试验是合理的和有效的。垂直压力增加到2.4 MPa时,板裂结构的进一步发展,和板裂结构突然失去稳定作为一个整体,从巷道壁分离,破裂。开裂破坏的程度在巷道围岩的板架的轴向方向逐渐增加,贯穿整个巷道,巷道受损和不稳定,如图6 (c)。

图7显示了巷道的开挖后围岩变形。在卸载的初始阶段的围岩巷道,巷道的变形的双方,屋顶和地板相对较低,和变形相对较小。双方的变形是8.6毫米,顶部和底部的变形板是7.0毫米。随着垂直压力的逐渐增加,巷道变形的双方和屋顶和地板有不同程度的增加。然而,双方的增长率大于的屋顶和地板上。双方经过12个小时的变形巷道开挖是60.8毫米,顶底板的变形是33.8毫米。此外,通过比较和分析数据2和7,可以发现,在实际情况下,双方的严重分裂现象的围岩巷道与双方的大位移仿真实验的结论相似。通过变形特性的比较,可以清楚地发现,围岩的变形和破坏特征的实际工作条件下巷道非常类似于相似模拟实验的结果,所以它可以进一步确定相似模拟实验是有效的。

通过进一步分析数据6和7,发现巷道的围岩变形与破坏的主要经验3期。第一个时期是段统一巷道的围岩变形,变形速率和变形量相对较小。这段时间主要是由于开挖巷道的围岩卸荷,大量存储在围岩弹性应变能被释放,和大量的内消旋裂缝生成在巷道围岩,巷道周围的分布更均匀,和周围岩石显示几乎一致协调变形作为一个整体,但统一协调变形的持续时间相对较短。第二个时期是发展段的板裂结构巷道的围岩。作为巷道的围岩的卸荷程度减弱,在那之后,它主要是偏应力的影响,变形速率和变形量逐渐增加。大量的介观发展成宏观裂缝,裂缝形成复合岩板,不是完全分离,呈现一块裂缝的结构和岩石的块向空巷道表面凸起。这个阶段的主要段大变形巷道的围岩,它继续,需要很长时间。第三个时期是不稳定段的板裂结构巷道的围岩。围岩的变形积累的能量超过储能板裂结构的极限。板裂结构突然失去稳定,板破裂岩石块立即拆分成块,从巷道壁分离,和应变能突然释放,转换成岩石碎片耗散能量和弹射动能,扔进巷道空间,和损伤面积沿径向方向的道路,延伸形成一个v型槽巷道墙上(23]。

4所示。巷道支护原则,支持计划

4.1。巷道支护原则

高地应力环境和巷道开挖卸荷大变形和失败的根源深巷道围岩不稳定。根据3期深部巷道围岩变形和破坏的大规模的相似模拟试验,巷道围岩的支持也需要从2开始时间点:①第一次一点的支持主要的最初支持在卸货期间巷道的围岩。积极支持后应立即进行巷道的开挖,及时抑制的发生不连续扩张现象,比如分离、滑移、裂缝,新裂缝等,围岩的巷道锚固区域内外,并防止屋顶坠落,碎矿巷道围岩的肋骨。②第二次一点的支持主要是加强巷道的围岩的支持,设计合理的结构和支持参数,进行高压灌浆。弱者和破碎围岩和巩固,松散结构和围岩的力学性能提高,围岩的完整性和连续性增强,实现永久巷道的稳定性。

4.2。计算失败的巷道围岩的范围

巷道的围岩的破坏范围是巷道支架的设计的关键。的形成和扩张的塑性区总是伴随着巷道的围岩变形与破坏的。因此,围岩的设计支持可以依法进行的塑性区理论。根据现有的研究结果(24的力学模型,nonisobaric圆形巷道围岩的塑性区r和θ如图8。的隐式方程的巷道的围岩塑性区边界

对于非圆形巷道,计算非圆形巷道围岩塑性区可以取而代之的是一个虚拟的圈与“等效半径”作为平等的区域特征尺寸。等效半径的公式

在上面的公式中,P₁原岩应力在垂直方向的道路;P₃原岩应力在水平方向上,和支持力量空巷道表面是什么P_我;c是凝聚力;φ内摩擦角;λ侧压力系数,P₃=λP₁;r,θ上任何点的极坐标的边界的巷道围岩的塑性区;年代是实际巷道截面面积;和K是巷道形状修正系数,反映了地下巷道的形状效应;K使用参数表3。

现场测量的参数输入MATLAB软件,计算输出图9,找出通过分析人物9和计算结果的最大深度的围岩塑性区第三轨道上山巷道是7.4米,超过螺栓的长度和电缆在最初的支持计划。也就是说,螺栓和锚索的锚固段都是在巷道的围岩塑性区,和锚固能力没有充分利用,导致巷道围岩大变形和锚定失败。因此,在巷道支架的设计,锚索的长度必须大于7.4米,确保锚索的锚固部分在完整岩体以避免出现锚失效问题。

4.3。巷道围岩的支持计划

基于分析围岩的变形特征的跟踪艰苦的道路和大型相似模拟试验,结合现场工程的实际情况,展开施工道路的部分。达到最初的设计尺寸后,逐步结合支持技术“锚网喷+封闭式空心注浆锚索”会被采用;即使用金属网、螺栓和喷射混凝土在最初的支持。正面的空心注浆锚电缆用于第二增强支持。具体支持参数和施工工艺如下:(1)对于最初的支持,左旋螺纹钢螺栓的规格Ф22毫米×l2800毫米配有两个2535树脂线圈,行之间的距离是700毫米×700毫米,和锚棒由梯梁相连;金属网使用12 #铁丝菱形网;网格不大于40毫米。喷雾100毫米厚混凝土覆盖金属网,如图10。(2)二次强化支持采用封闭式空心注浆锚索,锚索的规范是Ф22毫米×l12000毫米,行锚线之间的距离是1500毫米×1400毫米,而且每个锚索配备4块2535树脂墨盒。安装方法是一模一样的普通树脂锚索。正面的空心注浆锚索施工进行30 - 40 m在标题后面的脸,和灌浆压力维持在8 - 10 MPa,如图11。

4.4。支持的效果

为了验证的影响“锚网喷+全剖面中空灌浆锚索,“围岩的变形监测。支持项目的实施后,巷道的顶板和底板和两个团伙被有效控制,和顶部和底部板的变形控制在217毫米,和两个帮派的变形控制在301毫米,如图12。在服务期间,没有发现破损的锚索和锚棒,没有地质灾害如屋顶和巷道围岩的被发现,这表明破碎围岩形成一个良好的诚信泥浆的作用下,使锚杆和空心注浆锚绳排列在道路上发挥良好的作用,有更好的控制效果,并能满足安全生产要求。

5。讨论

通过以上计算结果的塑性区,结合现场的实际工作条件,控制思想在不同支持方法可以归纳为以下几点:①无论采用什么样的支持方法,其支持的根本目的是加强围岩的强度,提高围岩的稳定性通过控制塑料的扩张区。②“锚网喷+封闭式空心注浆锚索联合支护方案提出了可分为两个阶段的支持。其中,“锚网喷射混凝土”是用于支持的第一阶段。主要目的就是支持围岩锚固和喷射混凝土,并提供某些帮助第二阶段的初始条件的支持。中使用的“正面的空心注浆锚索”第二阶段的支持,和它的主要目的是“加强屋顶和巩固”进行全剖面加强对围岩的支持。③使用空心注浆锚索的最大优势是锚索注浆支持超过螺栓,并更容易穿透更深的岩层。在灌浆,灌浆可以注入深岩层,这破碎的岩层可以“连接”与相对稳定的岩层深处,从而控制膨胀的塑性区和加强围岩的稳定性。

6。结论

(1)机械测试进行了25套标本与不同比例由正交设计方法,和最好的比例相似模拟材料模拟巷道的围岩变形与破坏的。(2)使用大型深矿井巷道模拟试验系统,全断面开挖和卸载测试直墙拱巷道进行了实现模拟巷道变形和破坏的实际效果的路径下“高应力+内部卸+压力调整。”(3)深巷道挖掘后使用预装载的高应力、巷道围岩的变形和不稳定主要经历了三个时期:第一个时期是统一时期巷道围岩的变形,第二个阶段是发展时期的巷道围岩板裂纹结构,第三段是巷道围岩的扰动时期板裂结构。(4)网站项目的实际情况相结合,空心注浆锚索的核心“锚网喷+全剖面空心注浆锚索”逐步联合巷道修复支持程序确定,和修复巷道的稳定性明显改善,确保巷道的长期使用。

数据可用性

所有的数据生成或在研究过程中都包含在这篇文章出版;没有其他数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。

确认

这项工作是在经济上支持国家重点实验室开放项目的炼焦煤的开发和综合利用,中国Pingmei神马集团(批准号41040220181107),国家自然科学基金(1804109,1804109,51874130),和湖南省自然科学基金(2021 jj40211)。作者感谢这次金融支持。