煤礦深立井馬頭門圍巖歷時穩(wěn)定性及其控制技術.pdf

1、深井多呈現出工程地質條件復雜、地壓大等特點。由于深立井馬頭門位處礦井咽喉部位，設計斷面大，在施工過程中，圍巖反復受到擾動，因此，深立井馬頭門破壞的現象時有發(fā)生，嚴重影響圍巖穩(wěn)定性和支護結構安全。針對上述技術難題，以確保深立井馬頭門圍巖穩(wěn)定和支護結構安全為目的，采用理論分析、數值模擬、模型試驗和現場實測相結合的研究方法，系統地開展了深立井馬頭門圍巖歷時穩(wěn)定性分析、控制技術與應用等方面的研究。論文的主要研究工作及成果如下:
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2、試驗室內展開深部地層砂質泥巖的三軸蠕變試驗，在線性伯格斯模型的基礎上建立變參數非線性黏彈塑性伯格斯蠕變本構模型。它可以完整的描述砂質泥巖在較低應力水平和超過破裂應力水平下的蠕變力學行為。采用萊芬博格-馬奎特算法對該模型的蠕變參數進行了辨識，發(fā)現在同一級應力水平下砂質泥巖蠕變模型的軸向、徑向應變參數有所差異，砂質泥巖的蠕變變形具有各向異性的特征，數值計算二次開發(fā)時蠕變模型參數取值需要考慮不同應力水平下巖石蠕變的各向異性。
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3、以淮南某礦副井馬頭門為原型，建立馬頭門大型三維數值計算模型，結合深部地層巖石蠕變試驗提出的變參數非線性伯格斯蠕變模型，進行了基于ABAQUS的用戶本構模型二次開發(fā)，并應用于深立井馬頭門圍巖歷時穩(wěn)定性的三維數值模擬分析。數值計算揭示了馬頭門圍巖位移場和應力場分布規(guī)律以及塑性區(qū)的分布特征。指出隨著時間推移和馬頭門的分步開挖，硐室圍巖主要應力集中區(qū)呈現“歷時三區(qū)轉化”規(guī)律。建立了一套完整的大型深立井馬頭門歷時數值分析方法，可對馬頭門的圍巖穩(wěn)定

4、性進行評價，數值分析結果能夠為深立井馬頭門圍巖變形控制與支護結構優(yōu)化設計提供有力依據。
　　(3)研制煤礦深立井馬頭門大型三維物理模型試驗裝置，首次采用光纖、電法和電阻式傳感器等聯合測試系統，得到了煤礦深井馬頭門分步開挖過程中的應力場、位移場和松動范圍變化規(guī)律。由光纖測試結果可知，井筒和馬頭門交界處圍巖受井筒和馬頭門開挖影響顯著，圍巖受影響范圍約300mm，相當于實際工程中的影響范圍為15m;馬頭門兩邊圍巖受影響范圍約200mm，

5、相當于實際工程中的影響范圍為10m。井筒和馬頭門開挖，引起圍巖應力減少，距離馬頭門頂板2～3m處，圍巖最小應力降為原巖應力的20～30％左右。電法測試系統所測得松動圈厚度基本為200mm～300mm，和光纖測試結果一致。
　　(4)依據深立井馬頭門數值計算與模型試驗揭示的圍巖歷時穩(wěn)定性演化規(guī)律，結合工程應用監(jiān)測結果，針對深立井馬頭門的地質條件、施工過程和支護結構設計，提出系列深立井馬頭門圍巖變形控制技術。采用地面預注漿技術，加固馬

6、頭門上下段井壁圍巖及馬頭門大硐室頂底板圍巖，提高軟弱巖體的承載能力。從裝藥結構、爆破參數以及周邊控界爆破技術等方面控制爆破對圍巖的擾動。在馬頭門大硐室與兩側后續(xù)巷道之間施工一排密集深鉆孔，隔離鄰近硐室施工和變形擾動對已支護馬頭門襯砌和圍巖的穩(wěn)定性影響。包括上、下口段井壁，深立井馬頭門兩側硐室襯砌混凝土的整體澆筑段長度由目前的3m左右加長到6～8m。將信號硐室和液壓泵站等硐室支護結構與馬頭門支護結構同時施工，避免后續(xù)施工對已澆筑井壁的擾動

7、影響。針對深立井馬頭門的圍巖賦存深度、主要巖性和斷面尺寸等因素提出連接段井壁和馬頭門硐室支護結構的分級策略。
　　(5)將深部馬頭門圍巖控制技術成功應用到兩淮礦區(qū)的多對深立井馬頭門工程中。發(fā)現深部地層馬頭門支護結構的鋼筋應力、混凝土應變及硐室斷面收斂變化曲線100天左右以后逐漸趨緩，馬頭門圍巖與支護結構形成有效共同作用體，硐室變形得到了有效控制。馬頭門附近硐室的施工容易造成深立井馬頭門變形加速，嚴重的會造成結構的破損，因此需要實時