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《河北工程大学》 2017年
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深井软岩巷道连续“双壳”围岩应力分布特征研究

刘朴帅  
【摘要】:我国近几十年煤炭需求量不断增加,浅部煤炭资源逐渐枯竭。越来越多的浅部矿井向深部延伸,新建矿井大多数都为深部矿井。巷道开挖与支护是煤矿生产的首要任务,巷道受地应力和构造应力影响,在浅部表现为坚硬岩石,在深部则表现出工程软岩特性,巷道变形破坏量增大,传统的支护方法难以达到支护效果,后期维护费用高,需要新的支护理论和支护技术。本文研究主要基于连续“双壳”支护理论,针对深井软岩巷道支护面临的问题,提出针对性的支护方案。本文编写初期阅读大量参考文献,主要采用理论分析、现场调研、相似模拟、数值模拟实验和工业性试验研究方法,对深井软岩巷道连续“双壳”围岩应力分布特征研究。本文的研究内容和结论如下:(1)系统描述了软岩定义,软岩特性及力学属性,分析了巷道变形破坏机理,对陶二煤矿回风巷变形破坏特征和变形破坏影响因素做了全面分析。(2)运用数值模拟软件模拟出不同埋深下巷道围岩变形规律、应力状态和塑性区分布规律,总结得出随着埋深的增加巷道围岩移近量大,破碎范围广,围岩不能控制,巷道集中压力区更加明显,根据模拟结果可知增大围岩破碎区的强度有利于降低围岩应力集中区,让应力向深部转移。(3)相似模拟实验模拟不同侧压系数(λ=1、1.5、2)下巷道变形和应力分布特征,证明巷道围岩应力在变形过程中向深部转移,在深部壳体的支撑作用下,浅部壳体应力得到释放,深部围岩成为主要承载区。侧压系数为1时连续“双壳”支护和“单壳”支护巷道效果相差不大,但是随着侧压系数的增大,支护效果发生变化。(4)概述了连续“双壳”支护概念与机理,运用力学公式分别对“单壳”、连续“双壳”和非连续“双壳”支护进行弹塑性分析。推导出巷道围岩塑性区和弹性区应力位移和塑性区范围,提出支护半径的概念。(5)依据深井软岩巷道连续“双壳”支护理论与技术,确定陶二煤矿新南总回风巷围岩控制方案与参数,并实施工业性试验。通过现场应用表明,修复前巷道矿压显现剧烈,顶板、侧帮和底板破坏严重;修复之后,巷道的围岩保持完整稳定。
【关键词】:软岩巷道 双壳 支护强度 塑性区 数值模拟
【学位授予单位】:河北工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TD353
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第1章 绪论11-17
  • 1.1 研究背景及意义11-12
  • 1.2 国内外研究现状12-15
  • 1.2.1 软岩巷道支护理论研究现状12-13
  • 1.2.2 深部巷道围岩控制技术研究现状13-14
  • 1.2.3 深部巷道围岩控制理论研究现状14-15
  • 1.3 问题提出15
  • 1.4 主要研究内容、方法15-16
  • 1.5 技术路线16-17
  • 第2章 深井软岩巷道围岩应力分布及破坏特征研究17-31
  • 2.1 软岩定义17-18
  • 2.2 软岩特性及力学属性18-19
  • 2.2.1 软岩特性18-19
  • 2.2.2 软岩力学属性19
  • 2.3 深井软岩巷道变形破坏机理19-21
  • 2.3.1 变形破坏特征19-20
  • 2.3.2 围岩变形破坏影响因素20-21
  • 2.4 深部软岩巷道围岩应力分布及应变特征数值模拟分析21-29
  • 2.4.1 巷道围岩变形特征22-24
  • 2.4.2 巷道围岩应力分布特征24-27
  • 2.4.3 巷道围岩塑性区分布特征27-29
  • 2.5 本章小结29-31
  • 第3章 深井软岩巷道连续“双壳”围岩应力分布特征相似模拟研究31-43
  • 3.1 相似模拟实验设计31-35
  • 3.1.1 实验目的31
  • 3.1.2 实验方法31-33
  • 3.1.3 CM250/18 平面应变实验台装载流程33-35
  • 3.2 实验结果分析35-41
  • 3.2.1 DH3815静态应变测试系统35
  • 3.2.2 XJTUDP三维光学摄像测量系统35-37
  • 3.2.3 围岩破坏与应力分布特征37-41
  • 3.3 本章小结41-43
  • 第4章“双壳”围岩应力分布理论分析计算43-59
  • 4.1“单壳”支护概念及模型建立43-49
  • 4.1.1“单壳”支护弹塑性分析44-49
  • 4.2“双壳”支护概念及模型建立49-58
  • 4.2.1 连续“双壳”支护弹塑性分析51-55
  • 4.2.2 非连续“双壳”支护弹塑性分析55-58
  • 4.3 本章小结58-59
  • 第5章 陶二煤矿连续“双壳”支护方案及工业性试验59-77
  • 5.1 试验巷道概况59-61
  • 5.1.1 巷道区域地质概况59-60
  • 5.1.2 原支护现状及存在问题60-61
  • 5.2 连续“双壳”治理底鼓现场试验61-70
  • 5.2.1 试验段巷道变形特点61-62
  • 5.2.2 连续“双壳”底鼓治理理念62
  • 5.2.3 连续“双壳”底鼓治理方案62-65
  • 5.2.4 连续“双壳”底鼓治理数值模拟预侧分析65-66
  • 5.2.5 矿压规律分析66-70
  • 5.2.6 巷道围岩稳定性控制效果70
  • 5.3“双壳”加固技术施工工艺70-75
  • 5.3.1 喷浆施工70-71
  • 5.3.2 打锚杆锚索挂网施工71-72
  • 5.3.3 长环形支架施工72
  • 5.3.4 注浆工艺过程72-75
  • 5.4 本章小结75-77
  • 第6章 结论及展望77-79
  • 6.1 主要结论77-78
  • 6.2 展望78-79
  • 致谢79-81
  • 参考文献81-84
  • 作者简介84
  • 发表论文和参加科研情况说明84-85

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