大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制及動(dòng)態(tài)評價(jià)體系研究.pdf

1、煤巷圍巖大多屬于層狀或塊狀結(jié)構(gòu)，其本身強(qiáng)度較低，且節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性較差；同時(shí)受復(fù)雜外部工程環(huán)境的影響，煤巷圍巖控制和支護(hù)越來越成為煤礦生產(chǎn)與安全的重要難題。究其原因，主要存在的問題是:①對煤巷圍巖地質(zhì)力學(xué)特性和工程環(huán)境條件缺乏準(zhǔn)確的掌握和科學(xué)的評價(jià)；②對煤巷圍巖的變形失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識不夠清楚；③缺乏針對煤巷圍巖力學(xué)特性的圍巖控制和錨固理論；④未能對煤巷圍巖的穩(wěn)定性做出科學(xué)有效的評價(jià)；⑤煤巷圍巖穩(wěn)定性評價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)不能緊密結(jié)合，不能用于

2、指導(dǎo)圍巖控制和支護(hù)設(shè)計(jì)。目前人們對特定條件下煤巷圍巖穩(wěn)定性缺乏科學(xué)定量的判斷手法，缺乏對不同巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行科學(xué)評價(jià)的理論體系，從而影響煤巷圍巖控制和支護(hù)效果。因此，深入探討煤巷圍巖穩(wěn)定性控制及錨固理論，運(yùn)用巖層控制學(xué)及地質(zhì)力學(xué)理論系統(tǒng)研究大斷面煤巷圍巖的地質(zhì)力學(xué)特性和所處工程環(huán)境條件的影響，準(zhǔn)確掌握圍巖結(jié)構(gòu)及其對圍巖穩(wěn)定性的影響，探索出一條以支護(hù)設(shè)計(jì)為中心的適用于大斷面煤巷的圍巖穩(wěn)定性評價(jià)體系成為急待解決的技術(shù)課題。煤巷圍巖穩(wěn)定性控

3、制與評價(jià)的目的是科學(xué)準(zhǔn)確的反映巷道圍巖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為煤巷圍巖控制和支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)?？偨Y(jié)國內(nèi)外對煤巷圍巖的各種評價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)存在反映的全面性不足，側(cè)重點(diǎn)和選用指標(biāo)以及分級方法也欠準(zhǔn)確。目前國內(nèi)外對煤巷圍巖穩(wěn)定性控制和評價(jià)研究主要表現(xiàn)為如下特點(diǎn):
　　 (1)對煤巷圍巖地質(zhì)力學(xué)特性和工程環(huán)境條件的研究不夠全面和準(zhǔn)確，對煤巷圍巖的變形失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識不夠清楚；缺乏針對煤巷圍巖力學(xué)特征的穩(wěn)定性控制及錨固理論。
　　 (2)

4、圍巖穩(wěn)定性分類現(xiàn)在雖然由單因素定性分級向多因素定性和多因素定量動(dòng)態(tài)模式發(fā)展，但影響圍巖質(zhì)量的多種因素具有明顯的不確定性、復(fù)雜性和模糊性特征，用少數(shù)幾個(gè)固定評價(jià)指標(biāo)和簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式難以準(zhǔn)確、全面地概括其真實(shí)情況，圍巖質(zhì)量的完全定量化分級只能具有數(shù)學(xué)意義。
　　 (3)各類圍巖質(zhì)量的評價(jià)方法都是從不同側(cè)面選擇幾個(gè)固定的參評因素，按一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡單的線性運(yùn)算，從而得出圍巖質(zhì)量的單一評分，并據(jù)此進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分類。這些方法雖然簡單方便

5、，但無法反映復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，只能反映圍巖穩(wěn)定性的某一方面特征。由于影響圍巖穩(wěn)定性的因素常具有多層次性、模糊性、不確定性等復(fù)雜特點(diǎn)，對于不同地質(zhì)背景和具體工程，其影響因素及權(quán)值都不是固定的，既有共同性，又有特殊性。
　　 (4)圍巖穩(wěn)定性的分類主要是針對礦區(qū)地質(zhì)條件下巷道具有的共性進(jìn)行分析，而在同一礦區(qū)甚至同一巷道，巷道圍巖狀況具有很大的差異，受地質(zhì)構(gòu)造和相鄰工程環(huán)境影響的不同形成局部的特殊性。在同一礦區(qū)巷道圍巖穩(wěn)定性各不相同

6、，進(jìn)行評價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮地質(zhì)構(gòu)造和工程環(huán)境的影響。
　　 因此，巷道圍巖穩(wěn)定性評價(jià)應(yīng)當(dāng)采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)等多種評價(jià)方法從不同側(cè)面進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)評價(jià)。在同一礦區(qū)進(jìn)行巷道穩(wěn)定性評價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮個(gè)體巷道所處不同的地質(zhì)構(gòu)造和工程環(huán)境的影響。
　　 本文以上述觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，以山西亞美大寧能源有限公司大斷面煤巷和礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為研究對象，采用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬計(jì)算和工業(yè)性試驗(yàn)等方法，對煤巷圍巖穩(wěn)定性控制理論、地質(zhì)力學(xué)評價(jià)與支護(hù)

7、設(shè)計(jì)、擾動(dòng)因素影響加權(quán)與修正、數(shù)值模擬分析與驗(yàn)證優(yōu)化等幾個(gè)方面做了探索性研究；形成了煤巷圍巖穩(wěn)定性控制和動(dòng)態(tài)評價(jià)體系。主要研究成果如下：
　　 (1)以煤巷圍巖地質(zhì)力學(xué)特性為基礎(chǔ)，研究煤巷圍巖應(yīng)力分布特征和支護(hù)對煤巷圍巖穩(wěn)定性的影響機(jī)理，探討煤巷圍巖的變形破壞規(guī)律。
　　 (2)運(yùn)用彈塑性理論分析煤巷圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)，揭示煤巷圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)理，依據(jù)裂隙體及破碎體的煤體力學(xué)特征，運(yùn)用厚板(體)理論進(jìn)行煤體兩幫錨固體厚度、錨

8、桿幾何和力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)。
　　 (3)研究煤巷在不同圍巖穩(wěn)定性平衡狀態(tài)下的控制和錨固原理；提出對圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)較好的圍巖采用狀態(tài)控制原理，對穩(wěn)定性狀態(tài)差的大變形圍巖采用變形控制原理；對圍巖整體強(qiáng)度低，圍巖應(yīng)力狀態(tài)呈靜水壓力狀態(tài)的采用整體錨固結(jié)構(gòu)原理。
　　 (4)以煤巷圍巖控制和支護(hù)設(shè)計(jì)為中心，運(yùn)用巖層控制學(xué)和地質(zhì)力學(xué)理論，采用地質(zhì)力學(xué)評價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)、擾動(dòng)因素影響加權(quán)與修正、數(shù)值模擬分析與驗(yàn)證優(yōu)化，形成了三位一體的巷道圍巖

9、穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評價(jià)體系。
　　 (5)運(yùn)用現(xiàn)場取芯和實(shí)驗(yàn)室力學(xué)測試方法，研究分析15m范圍內(nèi)圍巖各巖層的地質(zhì)力學(xué)特性指標(biāo)。進(jìn)行煤巷圍巖穩(wěn)定性初步評價(jià)和支護(hù)方案設(shè)計(jì)。建立地質(zhì)力學(xué)特性分析—穩(wěn)定性評價(jià)—支護(hù)設(shè)計(jì)為一體的地質(zhì)力學(xué)評價(jià)方法。
　　 (6)確定了外部擾動(dòng)因素(地質(zhì)構(gòu)造、相鄰工程、采動(dòng)壓力)對圍巖穩(wěn)定性影響的重要性；針對煤巷所處工程環(huán)境特點(diǎn)，分析地質(zhì)構(gòu)造、相鄰工程、采動(dòng)壓力外部擾動(dòng)因素對煤巷圍巖穩(wěn)定性的影響范圍及影響等級

10、，確定擾動(dòng)因素權(quán)值，進(jìn)行影響程度評價(jià)和對初步支護(hù)方案進(jìn)行修正，形成了獨(dú)特的擾動(dòng)因素加權(quán)評價(jià)方法。
　　 (7)運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析煤巷在無支護(hù)狀態(tài)下和在支護(hù)方案條件下圍巖的應(yīng)力和變形分布規(guī)律。驗(yàn)證煤巷圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案和支護(hù)參數(shù)。
　　 總之，本文通過系統(tǒng)研究，建立了大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制及動(dòng)態(tài)評價(jià)體系，解決了大斷面煤巷圍巖穩(wěn)定性控制和支護(hù)存在的實(shí)際問題，為今后煤巷圍巖控制、穩(wěn)定性評價(jià)和支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依