深部煤巷围岩控制内、外承载结构耦合稳定原理的研究

深部煤巷围岩控制是煤矿深部开采的技术难题之一。在分析深部煤巷矿压显现特征的基础上,结合现有围岩控制理论成果,提出了内承载结构和外承载结构的概念,建立了内、外承载结构模型,采用实验室实验、理论分析、数值模拟和现场观测等手段对深部煤巷围岩稳定性控制机理进行了系统的研究,主要研究内容和结果如下: (1)通过分析岩石软化、扩容、蠕变、松弛和长时强度等力学性质,得出了它们与围岩应力场演化的关系。进行变应力路径下的岩石峰后蠕变试验,结果表明:损伤程度影响峰后蠕变特性,损伤程度越大,蠕变速率越快,蠕变失稳时间越短;围压增量可以从根本上改变峰后蠕变特性,降低蠕变速率,延长蠕变失稳时间,促使峰后蠕变由非稳定蠕变向稳定蠕变转化。这些规律为破裂区围岩稳定性分析和控制提供了理论依据。 (2)对深部巷道围岩深基点位移观测数据进行分析,得出围岩应变的空间分布具有波状特征;通过数值模拟分析,得出深部煤巷围岩应变、围岩应变软化系数和围岩应力的空间分布均具有波状特征,且它们三者之间存在有机的联系。结合围岩变形观测和数值模拟的结果,分析得到了内、外承载结构在受力、变形及性状等方面的力学特征,为在工程应用中界定外承载结构提供了依据。 (3)建立了圆形巷道内、外承载结构相互作用弹塑性理论模型,得到了围岩塑性区和破碎区半径、围岩应力及围岩位移的表达式。建立了煤巷煤帮内、外承载结构相互作用弹塑性理论模型,推导了煤帮塑性区宽度、煤帮围岩应力、煤帮水平位移的表达式。应用圆形巷道和煤帮内、外承载结构相互作用弹塑性理论分析结果,推导了外承载结构有关特征参数的表达式,揭示了外承载结构特征参数与巷道围岩稳定性的关系,以及内承载结构支护强度与外承载结构特征参数的关系。 (4)进行三维数值计算,研究了深部煤巷开挖、支护的空间效应,得出无支护、锚杆支护和锚杆锚索支护巷道外承载结构形成的规律,分析了锚杆支护参数对外承载结构形成过程的影响。建立圆形巷道粘弹塑性软化分析模型,得到了围岩塑性区和破碎区半径、围岩应力、围岩位移及外承载结构特征参数的表达式,分析了外承载结构随时间的演化过程及内承载结构所起的作用。建立煤帮外承载结构时间效应分析模型,推导了煤帮塑性区应力和煤帮外承载结构内边界位置的表达式,分析了煤帮外承载结构随时间的移动过程及内承载结构支护强度的影响。 (5)提出了外承载结构稳定的条件和巷道围岩稳定的条件,探讨了内承载结构促使外承载结构稳定的机理。分析了锚杆支护、注浆加固、支架支护等形式内承载结构的时间效应、承载能力和支撑作用效果;分析了锚索支护对内、外承载结构的作用。根据内承载结构作用机制的差异,将内、外承载结构耦合过程分为两个阶段,提出了每个阶段的支护原则和支护方法。 (6)通过平项山煤业集团四矿深部煤巷围岩控制的工程实践对研究结果进行了验证。