深部复合型破坏高应力软岩巷道支护技术研究
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摘要
软岩巷道支护,历来是矿山巷道工程的难题,尤其是当地下矿山进入到深部开采后,在复杂地质环境和高应力条件作用耦合作用下,巷道围岩易出现剪胀、大变形流变和遇水膨胀等复合型破坏,表现为断面世量收缩、片帮、冒落和严重底鼓等多种破坏形式,围岩破坏严重,难于有效支护,对矿山安全高效全产造成重大威胁。鉴于此,本文以深部发生复合型破坏的高应力软岩巷道作为研究对象,从其所处的高应力环境、特殊的岩性条件以及围岩体层状构造等多个角度进行测试分析和研究,以找到解决这一难题的措施和办法。
经过大量的现场工程地质调查并结合巷道长期变形监测的结果,对深部高应力软岩巷道发生破坏原因与破坏类型进行了分析,并对深部软岩巷道底鼓的原因和机理进行了探讨,揭示出深部软岩巷道受多因素影响,地压显现剧烈,两帮移近和底鼓变形均比较明显,并且变形具有较强的时间效应特征。
针对红页岩在高应力下的大变形和白云岩岩层富含地下水对采用套孔应力解除法测量矿区原岩应力造成的困难,对八十年代从瑞典进口的LUT三轴地应力测试仪进行了一系列技术改造,很好的解决了这些难题,准确地测出了整个矿区的地应力场分布及变化规律,为支护方案的设计和分析提供了准确的真实地应力场边界条件。
采用先进的进口力学实验仪器和自行研制的高精度数字式岩石膨胀仪对典型复合型破坏的红页岩进行了细致的实验室物理力学特性测试研究,包括矿物成分及微观结构分析、自然状态强度和变形规律、水理特性及蠕变特性等方面,从岩性的角度找出发生复合型破坏的原因和机理。
在实测的原岩应力场和矿岩力学参数情况下,综合考虑红页岩的层理构造特征,利用离散元数值模拟软件对深部软岩巷道开挖后围岩应力和位移分布进行了的数值模拟分析计算,揭示了深部软岩巷道围岩变形的发展趋势和规律,对后面的支护设计具有重要的指导作用。
本课题通过数值模拟分析、实验室与现场测试等方式,揭示在多种因素耦合作用下该类巷道的地压与变形活动规律、围岩松动圈的时空演化规律及失稳变形机理。并研制出了一种适用于高应力大变形岩体的波浪式协调变形吸能锚杆,在现场实施中获得了良好的支护效果。根据深部软岩巷道围岩变形破坏的规律,运用复合型破坏向单一型破坏转化的技术,将复杂的多因素复合型破坏问题逐一简化,并通过大规模的现场工业性试验和巷道稳定性长期动态监测进行支护方案的验证和优化,为高应力与复杂环境下深部软岩矿山的安全、高效开采提供经济、可靠的支护方法。
Supporting in soft roadways is always a puzzle for underground roadway engineering, especially for deep mining, where the surrounding rock of roadway often emergence some composite failure features, including high stress bulk increase, creep, and water-absorbent swelling in a complex geological environment coupled with high stress. Accordingly, the surrounding rock of roadway appears some complex fracture modes, such as large area reduction, rib spalling and floor heave and so on. In these cases rock roadway takes place prominen, surrounding rock seriously cracked, and the stability control of the surrounding rock becomes quite difficulty, which will result in a serious threaten to high efficiency and safe mining. In view of this, the support problems of deep soft rock roadway had been invesigated in order to find a right way of supporting. In the present, some complex environment conditions had been considerd, such as in-situ high stress, peculiar rock properties and stratification.
The destruction causes and falure mode of soft rock in deep roadway were analyzed via a theat amount of field survey and deformation measurement, the cause as well as mechanism of floor heave were discussed. The obtained results revealed that deep soft rock roadway influenced by many factors is of serious strata behaviors and the deformation of confirning rock in deep soft rock roadway shows a strong age-characteristic.
To deal with the problems caused by large deformation and confined aquifer during the course of in-situ stress measurement, some effective technical renovation were applied using a LUT 3D in-situ stress testing system imported from Sweden, the in-situ stress distribution in this mining area was revealed using this system, which can offer a real and exact boundary condition for supporting design.
Using an advanced testing system and self-made dilatometer, we preformed a great amount of researches on mineral component, micro-structure, strength as well as deformation characteristics, hydrolytic weakening properties and creep property of confining rocks. These researches will be helpful to reveal the cause and mechanism of composite failure of red shale from the aspect of lithology.
By means of discrete element method, and considering the real characteristics of fracture surface and the observed mechanical parameters, the deformation tendency and laws of soft rock in deep roadway under high in-situ stress condition were revealed.
Using numerical simulation analysis, experimental and field tests, behaviors of ground pressure and deformation activities of high stress soft rock roadway, temporal-spatial evolution and instability mechanism of broken rock zone were revealed under the participation of multi-variable coupling. A specially designed deformation-coordinated bolt fitting for highly stressed and largely deformed rock mass was developed, which can provide not only a large deformation capacity, but also a strong supporting force. These new bolts have been successfully used in supporting construction of soft rock roadway in deep mining. Meanwhile, based on the deformation rules of soft rock observed in deep roadway, some new support techniques suitable for this type of roadway are proposed using the transformation technology, which can make composite failure mode turn into single failure. Through large-scale industrial field tests and long-term dynamic monitoring for roadway stability, the support design was tested and optimized, which provided an economical and reliable support method for safe and efficient deep mining.
经过大量的现场工程地质调查并结合巷道长期变形监测的结果,对深部高应力软岩巷道发生破坏原因与破坏类型进行了分析,并对深部软岩巷道底鼓的原因和机理进行了探讨,揭示出深部软岩巷道受多因素影响,地压显现剧烈,两帮移近和底鼓变形均比较明显,并且变形具有较强的时间效应特征。
针对红页岩在高应力下的大变形和白云岩岩层富含地下水对采用套孔应力解除法测量矿区原岩应力造成的困难,对八十年代从瑞典进口的LUT三轴地应力测试仪进行了一系列技术改造,很好的解决了这些难题,准确地测出了整个矿区的地应力场分布及变化规律,为支护方案的设计和分析提供了准确的真实地应力场边界条件。
采用先进的进口力学实验仪器和自行研制的高精度数字式岩石膨胀仪对典型复合型破坏的红页岩进行了细致的实验室物理力学特性测试研究,包括矿物成分及微观结构分析、自然状态强度和变形规律、水理特性及蠕变特性等方面,从岩性的角度找出发生复合型破坏的原因和机理。
在实测的原岩应力场和矿岩力学参数情况下,综合考虑红页岩的层理构造特征,利用离散元数值模拟软件对深部软岩巷道开挖后围岩应力和位移分布进行了的数值模拟分析计算,揭示了深部软岩巷道围岩变形的发展趋势和规律,对后面的支护设计具有重要的指导作用。
本课题通过数值模拟分析、实验室与现场测试等方式,揭示在多种因素耦合作用下该类巷道的地压与变形活动规律、围岩松动圈的时空演化规律及失稳变形机理。并研制出了一种适用于高应力大变形岩体的波浪式协调变形吸能锚杆,在现场实施中获得了良好的支护效果。根据深部软岩巷道围岩变形破坏的规律,运用复合型破坏向单一型破坏转化的技术,将复杂的多因素复合型破坏问题逐一简化,并通过大规模的现场工业性试验和巷道稳定性长期动态监测进行支护方案的验证和优化,为高应力与复杂环境下深部软岩矿山的安全、高效开采提供经济、可靠的支护方法。
Supporting in soft roadways is always a puzzle for underground roadway engineering, especially for deep mining, where the surrounding rock of roadway often emergence some composite failure features, including high stress bulk increase, creep, and water-absorbent swelling in a complex geological environment coupled with high stress. Accordingly, the surrounding rock of roadway appears some complex fracture modes, such as large area reduction, rib spalling and floor heave and so on. In these cases rock roadway takes place prominen, surrounding rock seriously cracked, and the stability control of the surrounding rock becomes quite difficulty, which will result in a serious threaten to high efficiency and safe mining. In view of this, the support problems of deep soft rock roadway had been invesigated in order to find a right way of supporting. In the present, some complex environment conditions had been considerd, such as in-situ high stress, peculiar rock properties and stratification.
The destruction causes and falure mode of soft rock in deep roadway were analyzed via a theat amount of field survey and deformation measurement, the cause as well as mechanism of floor heave were discussed. The obtained results revealed that deep soft rock roadway influenced by many factors is of serious strata behaviors and the deformation of confirning rock in deep soft rock roadway shows a strong age-characteristic.
To deal with the problems caused by large deformation and confined aquifer during the course of in-situ stress measurement, some effective technical renovation were applied using a LUT 3D in-situ stress testing system imported from Sweden, the in-situ stress distribution in this mining area was revealed using this system, which can offer a real and exact boundary condition for supporting design.
Using an advanced testing system and self-made dilatometer, we preformed a great amount of researches on mineral component, micro-structure, strength as well as deformation characteristics, hydrolytic weakening properties and creep property of confining rocks. These researches will be helpful to reveal the cause and mechanism of composite failure of red shale from the aspect of lithology.
By means of discrete element method, and considering the real characteristics of fracture surface and the observed mechanical parameters, the deformation tendency and laws of soft rock in deep roadway under high in-situ stress condition were revealed.
Using numerical simulation analysis, experimental and field tests, behaviors of ground pressure and deformation activities of high stress soft rock roadway, temporal-spatial evolution and instability mechanism of broken rock zone were revealed under the participation of multi-variable coupling. A specially designed deformation-coordinated bolt fitting for highly stressed and largely deformed rock mass was developed, which can provide not only a large deformation capacity, but also a strong supporting force. These new bolts have been successfully used in supporting construction of soft rock roadway in deep mining. Meanwhile, based on the deformation rules of soft rock observed in deep roadway, some new support techniques suitable for this type of roadway are proposed using the transformation technology, which can make composite failure mode turn into single failure. Through large-scale industrial field tests and long-term dynamic monitoring for roadway stability, the support design was tested and optimized, which provided an economical and reliable support method for safe and efficient deep mining.
引文
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