深层软岩巷道嵌合互补支护与数值模拟-应用数学专业毕业论文

摘要摘摘要摘 要在煤炭开采过程中，诸多煤矿巷道位于深层软弱围岩之中，深层软弱围岩具有高地压、强度偏低、流变性强等特点。深层软岩巷道支护中，复杂的工程地质条件和严峻的支护技术问题不仅威胁着生产平安，也在很大程度上阻碍着煤炭行业的开展。当前浅部软岩巷道的支护方式，在不断实践过程中产生了一些棚式支护、锚喷支护、砌碹支护、联合支护等把戏繁多的支护形式，但针对深层软岩巷道支护方式的研究仍在摸索阶段。本文以“邹庄煤矿东翼轨道大巷修护技术〞课题为背景，在锚索网支护的基础上，提出一种新型的支护模式，即“嵌合互补支护模式〞。损坏巷道存在着原始应力高、应力状态改变较大、原支护形式单一、施工不严谨等问题。为了解决深层软岩巷道易出现变形的问题，验证嵌合互补支护结构中锚带网、索与注浆的合理性和效果性。论文以实验室试验、ABAQUS数值模拟等研究手段，对巷道破坏因素、围岩变形机理等进行了较深入的分析，提出了固圈强壳支护理论，给出了试验巷道的支护方案，研究成果对深部水平软岩巷道的稳定性研究具有一定的参考价值。图[47】表[19]参【75】关键词：深层软岩；嵌合互补；数值模拟；U型钢支架分类号：110．87万方数据AbstractInAbstractInthecoalminingprocess，manycoalminetunnellocateddeepamongweakrock．Deepweakrockhashi曲pressure,lowstrength,rheologicalandothercharacteristics．Deepsoftrockroadway．Notonlycomplicatedengineeringgeologicalconditionsandseveretechnicalsupportissuesthreatenproductionsafety,butalsotoalargeextenthinderedthedevelopmentofthecoalindustry．Itproducedsomegreatvarietyofformsofsupportintheprocessofcontinuouspractice．Forexampleshed-typesupport，boltingandshotcretelining，Archingsupport,combinedsupport．Butfordeepsoftrockroadwaysupportisstillintheexploratorystagemanner．Basedonthe〞repairtechnologyofZouZhuangcoalleveltrackalleysintheeast〞projectaLsthebackground．Onthebasisofmeshsupport,weproposedanewsupportmodel．Itisthe〞chimericcomplementarysupportmode．〞Thereisdamaget0theroadwayoriginalhighstress，stressstatechangeislarge，theoriginalformofasinglesupport,notstrictconstructionandotherissues．Inordertosolvetheproblemofdeepsoftrockroadwaydeformationprone．Verifythatthecomplementaryretainingstructurefittedwithanetworkanchor,cableandgroutingofrationalityandeffectiveness．Thesislaboratorytests，ABAQUSsimulationandotherresearchtools．FactorsinfluencingthedestructionofroadwaysurroundingrockdeformationmechanismandSOonforamorein-depthanalysis．Madesolidcircles仃ongsupporttheory,thetestroadwaysupportprograms．Researchresultshavecertainreferencevalueforthestudyofthestabilityofthedeeplevelofsoftrockroadway．Figure【47]table[19】reference[75】KeyWords：deepsoftrock，chiericcomplementary,numericalsimulation，U—shapedsteelbracketChinesebookscatalog：110．87万方数据目 目 录目 录摘 要 IAbstract ．．．．． ． ． ．． ．I1绪论 ．11．1研究背景 11．2国内外研究现状 21．2．1国外支护研究开展与现状 ．．21．2．2国内支护研究开展与现状 ．．31．3本文研究思路 41．3．1研究方法 一41．3．2技术路线图 ．．41．3．3技术关键 。61．3．4论文工作量及进展方案 ．．61．4文章主要研究内容、创新点及意义 61．4．1主要研究内容 ．．61．4．2创新之处 ．．61．4．3研究意义 ～71．5本章小结 72巷道围岩地质特征分析 ．．82．1工程地质状况 82．1．1地质概况 一82．1．2水文地质 ．．82．2围岩力学性能测试 一1O2．2．1岩体的采集与加工 lO2．2．2测试系统及局部测试试件展示 lO2．2．3泥岩抗压强度测试 112．2．4泥岩抗拉强度测试 112．2．5砂岩抗压强度测试 122．2．6砂岩抗拉强度测试 12万方数据目 目 录2．3岩层主要成分分析 一122．3．1岩石浸水试验 122．3．2岩石的矿物成分分析 ．132．4本章小结 143巷道变形过程、原因及控制机理分析 163．1巷道破坏过程 ．．163．2东翼轨道大巷破坏变形呈现特征 一163．3东翼轨道大巷围岩变形因素分析 。173．4固圈强壳控制机理 一223．4．1巷道变形控制依据 223．4-2固圈强壳控制变形机理分析 223．5本章小结 一254不同支护结构的数值模拟分析 264．1数值模拟概述与软件介绍 ．．264．1．1数值模拟概述 ．264．1．2数值模拟与实验的比拟 264．1．3模拟软件的介绍 264．236U型钢支架的模拟分析 284．2．1模拟分析的根本思路 284．2．1模型概述 284．2．2U型钢支架的变形情况 ．．304．3双网结构的模拟分析 314．3。2设计模型 ．3l4．3．3边界条件 324．3．4材料参数 334．3．5模拟准备 334．4嵌合互补结构的模拟分析 374．5本章小结 ．．395现场工业试验 41万方数据目 目 录5．1嵌合互补支护结构现场应用参数 ．．415．2现场工业试验准备 。445-2-1巷道变形监测目的 445．2．2巷道段变形观测断面布置 445。2．3断面内测点设置 455．2．4断面测点的安装方法 455．2．5巷道断面变形监测仪器 465．3观测结果数据与分析 ．．465．3．1实施嵌合互补支护前观测数据整理与分析 465．3．2实施嵌合互补支护后观测数据整理与分析 485．4本章小结 一5l6结论 一526．1研究成果总结 。526．2展望 ．．52参考文献 54致谢 ．58作者简介及读研期间主要科研成果 59一IV．万方数据ContentsContentsContentsContentsAbstract．．． ．．． ． ．．．． ．．．．．．． ． ．． ．．．．I1Onthread ．．．．． ．．． 。．． ．。． ．．． ．。。11．1Background．．． ．． ．．．．．． ． ．．．． ．．．．． ．．． ． ．．11．2Researchstatus．．．． ．．． ．．．． ．．．．． ．．．． ． 21．2．1Developmentandcurrentsituationofforeignsupport． 21．2．2Presentresearchanddevelopmentsupport 31．3Researchideas．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41．3．1Researchmethods～41．3．2Technologyroadmap．．．．．． ．．．．．．． ．． ．．． ．．．41．3．3Keytechnology．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61．3．4Workloadissuesandprogressplan．．．．．．． ．． ．．． ． 一61．4Research，innovationandsignificance ．61．4．1Mainresearchcontent ．61．4．2Theinnovation ．61．4．3Significance 71．5Chaptersummary ．．． ．．．． ．．．． ． ．．．．．．．．．．． ．． ． ·-·72Roadwaygeologicalstudy．．．．． ．．．．． ．．． ．． ·82．1Engineeringgeology．．．．．．． ．． ． ．． ．． ．．． ． -“82．1．1Generalgeology ··82．1．2Hydrogeology 82．2Rockmechanicsperformancetest．．．．．．．．．．．．．．102．2．1Collectionandprocessingofrock．．．．．．．．102．2．2Testingsystemandpartofthetestspecimenimpressions102．2．3Mudstonecompressivestrengthtest．．．．．．．．．．-．112．2．4Mudstonetensiletestresults．．．．．．．．．．．。112．2．5Sandstonecompressivestrengthtest．． ． ． ．．． ．．122．2．6Tensilestrengthsandstones ． ． ． “12一V一万方数据Contents2．3Contents2．3Strataprincipalcomponentanalysis．．．．．．．．．．．．．．．．．122．3．1Rockwaterimmersiontest。122．3．2Rockmineralcompositionanalysis．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．132．4Chaptersummary．．．．．．．．．143Roadwaydeformationprocess，causesandcontrolmechanism ． 16：；．1Roadwaydestructionprocess．．．．．163．2Eastmaintrackroadwaydeformationdamagerenderingfeatures．．．163．3AnalysisofsurroundingrockdeformationfactorsinEastMainTm．．ckLane．．．．．． ．．．．．． ．． ．． ．． ．．． ．．． ．． ．．173．4Solidandstrongshellring ．223．4．1Roadwayroofdeformationcontrolunitbasedhelp ．223．4．2Topsectionofroadwaytohelpcontrolthedeformationmechanismanalysis ．．．． ．．． ． ．． ．． ．．．．．223．5Chaptersummary ．．．．．．． ．．．．．．． ． ．．．．．．．．．．． ． 254Thenumericalsimulationsupportingstructure．，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2264．1Overviewandsimulationsoftware 264．1．1Numericalsimulationoverview ．264．1．2Comparisonofnumericalsimulationandexperiment 264．1．3Describessimulationsoftware．．．．．．．．．．． ． ．．．．． ．264．2Simulation36Usteelbracket 284．2．1Simulationanalysisofthebasicideas．．．．． ． ． ．．284．2．1Modeloverview ．284．2．2DeformationoftheU—shapedsteelbracket ．． ．．．．．．．． 304．3Simulationanalysisofdual—networkstructure．．．．．．．．．．．．．．．314．3．2Designmodel．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．314．3．3Boundaryconditions．．．．．．．．．．．．．．．．．．324．3．4Materialparameters．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334．3．5Analogready．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．334．4Simulationanalysisofchimericcomplementarystructure 37一VI．万方数据4．54．5Chaptersummary ．．．． ．． ． ．． 395Technologytestsite．．．．．．．．．．． ．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．415．1Complementaryfittingsupportstructuresiteapplicationparameters ．415．2Overviewtechnologytestsite． ．．．． ．．．．．．．． ．．．．． 445．2．1Roadwaydeformationmonitoringpurposes．．． ．．。。。。． ．。445．2．2Deformationobservationsectionofroadwayarrangement．．445．2．3Niecepointsettingsection．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．455．2．4Installationsectionmeasuringpoint．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．455．2．5Roadwaydeformationmonitoringinstrument．．．．．．．．．465．3Observationsandanalysisofdata．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．465．3．1Supporttheimplementationofmutualsupportbeforethefittingobservationdatacollectionandanalysis． ．．．．． ．．465．3．2Observationdatacollationandanalysisoftheimplementati—Ollofthechimericcomplementaryprotection．．．． 一485．4Chaptersummary 516Inconclusion． ．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．． ．．． ．．．．．．．．．526．1Summaryoffindings ．． ． ． ． ． ．．526．2Outlook ．．．．．．． ． ． ．．．．．．．．．．．． ．52References． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．54Acknowledgements ．．． ．．．．．． ．． ． ．．．．．．．．．．．．．．，．， ．．58Authorandduringgraduateschoolmajorscientificresearch．．．．．．．．．．．．．59一V11．万方数据1绪论1绪论1绪论1绪论1．1研究背景以安徽理工大学矿山工程力学与支护技术研究所承当的“邹庄东翼轨道大巷修复技术研究〞科研工程为背景，较为详细地分析了深层软岩巷道围岩的地质特征与变形机理，提出了符合现场工程地质环境的新型复合支护技术，并通过现场实测验证了该技术的合理性与有效性。近年来，软岩巷道支护问题一直难以得到彻底解决，已经逐渐转变为一个涉及全球范围的重要问题，此类巷道在我国亦分布广泛【J】。软岩巷道周围岩体通常易产生较严重的塑性流动变形，具有膨胀性、流变性、易扰动等特征12]，有别于其他稳定性较好的坚硬厚岩层中的巷道。由于浅层煤炭资源的逐渐枯竭，深部资源的开采已形成迫不得己之势，国内很多矿区相继进入深层复杂环境作业状态【3】。然而，与煤炭开采紧密联系的是煤矿巷道支护技术的开展，优良的支护技术直接决定着整个煤炭行业的开展。随着煤层开采深度的不断增大，围岩的软化特性渐渐显现出来，相应的冲击地压、流变等矿山灾害也在逐年增多【4】。软岩岩体巷道支护过程中遇到的应力集中、地温变大、渗透压变强、强开采颤抖等复杂地质环境，严重影响支护方案的设计，降低了煤矿资源开采的平安系数，在多方面阻碍矿山开采效率[5-61。煤矿开采环境的复杂多样化，以及煤矿储存总量和储存位置的限制，使得煤层出现较多深层软岩巷道围岩工程问题，尤其在我国山西、陕西、安徽及内蒙古等西部和北部地区，这样对于深层软岩巷道支护技术的开发研究就显得尤为重要【7l。深层软岩巷道在工程地质、地压、岩石性质等方面存在的现实问题，并不是独特的，具有典型性和普遍性【8】。目前，此类巷道支护多数采用锚网喷、金属支架或配合单一锚杆和锚索进行补强，这种支护方法在一定程度起到了积极作用19J。由于深层软岩巷道开挖之初与后期持续变形都很大，并且存在高应力、软弱围岩、动压等诸多错综复杂的因素，所以国内外很多学者认为“简单补强棚架支护方式〞对于深层软岩巷道不仅不能有效抑制开采初期围岩的强烈变形，而且也无法有效控制巷道后期的持续变形问题。现场针对深层软岩巷道支护方案的设计，多数没有经过相关的数值分析，而是凭经验、靠感觉作出的，变形控制难以得到彻底解决【10】。由于缺乏充足的理论依据和具有说服力的计算数据，仅仅依靠传统、单一的支护已经不能完全应对巷道遭遇的多方面破坏。因此，如何在深层软岩复杂状万方数据1绪论况下，挖掘变形根源，划分变形机理，弄清支护设计因素，构建简单高效的支护模1绪论况下，挖掘变形根源，划分变形机理，弄清支护设计因素，构建简单高效的支护模式极为重要。选择合理的支护结构方案不仅可以保证工作人员的人身平安，同时也意味着进一步提高经济效益，促进煤矿产业开展。因此，设计研发出稳定性能更高，返修率更低，承载力更强，相对经济本钱更理想的支护形式是非常必要的。巷道围岩作为松动圈内部一个整体构架，可以考虑用整体思想解决支护问题，统筹各个部件，充分利用支护组合作用[11-14】。本文提出的“嵌合互补支护方案〞，即“锚杆(索)和双层钢筋网混凝土喷层+高强度钢带+注浆〞支护技术，能够在巷道支护质量得到保证的条件下，拥有稳定性高、承载力强、本钱较低的良好特点。1．2国内外研究现状1．2．1国外支护研究开展与现状上世纪六十年代，奥地利著名学者拉布采维茨(Rabeewciz)，在力学理论分析与充分实践的根底上，提出了新奥法理论，认为围岩能够充分依靠自身的承载能力保持结构的稳定性而不需要借助外部结构；巷道掘进维护过程中，需要最大程度地利用周围岩石与矿体的承载能力【171。这种新型的理论不断验证推广后，逐渐得到多数专家学者的认可，在具体实施过程中也取得了显著的经济效益，使得支护模式进入了一个新的台阶。一2．万方数据1绪论日本专家山地宏与樱井春等提出了巷道围岩应力应变控制理论，认为巷道周1绪论日本专家山地宏与樱井春等提出了巷道围岩应力应变控制理论，认为巷道周围应力引发的应变随着支护结构强度的增大而呈现逐渐减小的特征，应变极限随着支护结构增强而逐渐增大【18J9】。二十世纪七十年代，萨拉蒙似．D．Salmon)等又提出了巷道围岩能量支护理论，认为巷道支护结构在阻止围岩变形过程中，支护结构与周围围岩不仅仅是单纯的对立关系。两者在相互作用时，围岩会释放一定的能量被支架吸收，但总体能量守恒。所以，在设计支护方案时一定要合理设计支护结构的组成局部，调整两者能量转化过程，利用合理的支护结构释放能量【2呲1l。二十世纪八十年代随着计算机科技不断的开展进步，数值计算软件的种类也日益丰富，在此根底上出现了数值计算法，本质是利用以ANSYS、ADINA、FLAC等为代表进行有限元、有限差分计算的软件，模拟设计方案的合理性和可行性。以便于在运用支护结构治理巷道变形之前就可以提前检测支护结构的合理性，节约支护本钱，提高支护效率。这同样表达了计算机技术以及数学知识在工程中的应用【22洲。国外关于软弱围岩巷道通常采用主动治理支护或被动防御支护两种模式，主动治理支护大多数情况下以采用锚网支护和喷射混凝土的方法为主，被动防御支护主要采用金属棚架支护，完全依靠金属支架的高强度预防巷道变形【25J。主动支护模式设计多数为长锚杆锚固支护、注浆锚索及钢筋网壳等简单又经济的单一支护形式【261。近年来巷道支护理论与科技水平不断开展进步，更多经济又实用的方案得到充分探索，又出现了锚网+套棚、锚杆+锚索、U型钢与恢复围岩承载力等两者结合的支护模式127J。1．2．2国内支护研究开展与现状在我国深层软岩巷道支护理论也有相关的成果，中国矿业大学院士何满朝教授，结合变形力学与工程地质学理论，在进行岩石力学实验分析以及组合抗压、抗拉能力测试的根底上，寻找软岩巷道受到破坏变形的原因，主要是复合型变形力学机制引起幽-29]。何满朝教授认为控制软岩巷道变形的关键是要转化复合型变形力学机制，以此为根底，创新性的提出了软岩工程力学支护理论和巷道关键部位耦合组合支护理论。冯豫等学者深入研究新奥法，并在此之上进一步开展理论，提出了联合支护，创新性的认为软岩巷道单纯的利用刚力对抗变形的理念，不仅难以取得永久支护效果，而且还在一定程度上会产生资源浪费和效益受损的结果【30J。因此提倡“有刚有柔、有抗有让〞的新观点，主要的支护思想为“柔、让为先，刚、抗为后〞。万方数据1绪论根据这种思想研发了很多联合支护形式，1绪论根据这种思想研发了很多联合支护形式，比方现在矿山支护常见的锚网索、锚网喷、锚喷和注浆等联合支护技术。郑雨天教授、孙钧教授等学者在深入研究联合支护理论的根底上提出了锚喷一弧板支护理论，认为支护过程要让压有度，不能放任自流，在适宜时机需要采用坚强支护措施坚决抗住131-32】。．我国著名学者董方庭教授，通过相似模拟试验建设性的提出了松动圈支护理论，松动圈支护理论中对巷道围岩存在的松动圈做了阐述和分类，并依据有关理论，确定了首次支护与二次支护的间隔时问。详细说明了控制围岩的变形是巷道围岩支护的研究重点，围岩变形的强弱决定于支护结构的难易，支护结构的增强对复杂矿区巷道治理显得日益重要。松动圈理论为现场的施工和理论方法的研究提供了根底，且已通过总结现场经验和理论计算，在此的根底上验证了其正确性D3]。安徽理工大学经来旺教授针对高应力软岩巷道，以“强表抑蠕、锚固生根〞原理提出了双网双盘支护技术(34j。针对松散煤层巷道利用锚杆梁和金属棚架的复合支护技术，提出了“锚杆与金属棚架锚固增强〞原理，并且成功实施了计算机动态仿真模拟，指明要从改善围岩质点的应力状态出发设计支护方案，这些支护技术被广泛应用，得到了很好的实践，创造了巨大的经济效益和社会价值【351。最近较为先进的支护理论与支护设计技术得到迅速开展，对深层软岩巷道的研究也取得了长足开展【36】。事实上，相关深层软岩巷道支护模式在我国诸多矿区得到了成功应用，支护理论与支护方案的研究在实践中迅速开展起来。1．3本文研究思路1．3．I研究方法(1)模型的理论分析和研究；(2)数值模拟计算；(3)现场实测的分析与检验。1．3．2技术路线图万方数据1绪论现场工业试验1绪论现场工业试验形成论文，得出“深层软岩巷道嵌合互补支护技术〞可行性结论图1技术路线图Fig．1Technologyroadmap万方数据1绪论1．3．3技术关键1绪论1．3．3技术关键(1)深层软岩巷道围岩的变形机理分析；(2)固圈强壳支护理论；(3)单纯U钢支架、双网结构、嵌合互补结构数值模拟计算分析。1．3．4论文工作量及进展方案2023年5月——2023年2月 查阅相关资料、文献2023年3月——2023年5月 开题报告2023年6月——2023年9月 建立支护模型，进行模拟计算2023年9月——2023年12月 巷道支护实验，采集数据，进行分析整理2023年12月叫016年3月 撰写学位论文2023年3月——2023年4月 论文修改送审2023年5月——2023年6月 论文修改辩论1．4文章主要研究内容、创新点及意义1．4．1主要研究内容(1)资料收集。内容包括邹庄煤矿东翼轨道大巷相关工程地质、水文地理资料的收集；(2)邹庄煤矿东翼轨道大巷变形机理分析与支护模式研究。依据工程地质资料对软岩巷道工程地质、水文地质、周围采空区等情况进行细致分析与研究，再根据研究结果设计支护方案；(3)理论求解。运用数值模拟软件对支护方案进行比照分析；(4)巷道支护现场工业试验。设计现场支护参数，并且在工程实施后采集巷道变形数据，对支护效果检测分析，检验支护方案。1．4．2创新之处(1)通过分析巷道周围岩体承载力及支护构件抗压状况，形成固圈强壳支护理论；(2)设计嵌合互补支护模式。万方数据1绪论1．4．3研究意义1绪论1．4．3研究意义现实意义：邹庄煤矿东翼轨道大巷的破坏现象，以及需要长期反复维修的问题，已经严重阻碍着煤矿的生产与经济的开展。分析深层软岩巷道围岩特性、围岩破坏因素，研究新型支护理论与经济实用的支护模式，可以极大促进邹庄煤矿生产水平的提升。社会意义：邹庄煤矿东翼轨道大巷围岩所处地理环境具有典型性，具体地压、岩质、应力分布等状况代表性较强，此类巷道支护问题在全国范围内普遍存在，问题的解决对类似巷道具有很大的借鉴价值。1．5本章小结以“邹庄煤矿东翼轨道大巷修复技术研究〞工程为背景，研究说明深层软岩巷道具有地质环境复杂而不多样、特殊而不单一的特点，具体阐述了工程研究的经济意义与社会意义。详细介绍了上世纪五十年代至九十年代，国内外支护模式与支护理论开展过程，以及近些年国内外开展研究现状。表达了国内外专家学者提出的金属支架、锚喷与锚索联合、组合锚杆等支护模式及新奥法、应变控制、能量支护、松动圈等支护理论。在表达支护理论及支护方案时，分别阐述说明各类支护方案的创新点及缺乏之处，便于在吸收专家学者优点的根底上，进而完善支护理论。此外，进一步说明整体研究思路即研究方法、技术路线、关键技术、工作量及进展方案，明确提出了主要研究内容、固圈强壳支护理论和嵌合互补支护设计的创新之处。万方数据2巷道围岩地质特征分析2巷道围岩地质特征分析2巷道围岩地质特征分析2巷道围岩地质特征分析2．1工程地质状况2．1．1地质概况邹庄煤矿东翼轨道大巷所处层位上距3．2煤层底板法距约为65m，下距5—1煤层的顶板法距约为90m。根据邹庄煤矿东翼轨道大巷平刨面图2及综合柱状图3所示，巷道的施工层位为二叠系下石盒子组中的细砂岩，该层细砂岩走向为1740，倾角为1lo，厚度约12．7m，呈中厚层状构造，岩石致密、硬度较好，层理及水平裂隙发育，局部为泥岩，含少量炭质泥岩。施工过程中需注意加强对岩层裂隙发育区域、泥岩段的支护工作【37】。2．1．2水文地质施工范围内水文地质条件较简单，主要受断层水、3．2煤底板砂岩裂隙水、钻孔水的影响。砂岩裂隙含水层以静储量为主，巷道较多地方出现裂缝。两帮部潮湿，出现水珠，有顶板滴水、淋水等现象，对掘进施工有一定影D晌J[381。I＼N≈：。』：，，I一苍 崔刚锈／，夕警_iⅥ，夕◆图2邹庄煤矿东翼轨道大巷平剖面图Fig．2Zouvillagecoalmineineastmaintracklaneflatcross-sectionalview万方数据2巷道围岩地质特征分析厚度I2巷道围岩地质特征分析厚度I 柱状图 名称 岩性描述0．9=3．6 细砂岩白灰色．细砂质结构，致密块状，层里发育2．25l，0遗89 泥岩 暗灰色，泥质结构，致密块状，解理面与层理面垂直4．95掣5 细砂岩白灰色，细砂质结构。致密块状，层里发育o．2s～0．3S～0．29／兰 三}二二： 煤 黑色，褐黑色条痕，暗煤为主，亮煤次之，层状2．9～4．423．7 三一三! 泥岩 暗灰色，泥质结构，块状，局部解理破碎n’～nR＼；享三I，，一7／7碳质泥岩暗灰色．灰黑色条痕，灰分较大，泥质结构，松散层状0．2．52．Z1=3．76 粉砂岩暗灰色，粉砂质结构，块状，局部解理破碎3．23 一一一1．2～3．R7 。一z煤层暑乎l一强受耩叠貊掣豁裂隙发育'2．901．35～3．8S、、 ，，／／，7 泥岩 灰黑色，泥质结构，层块状，局部岩石较破碎2．60．310．35 ／0．33 ／7 、、＼碳质泥岩暗灰色，灰黑色条痕，灰分较大，泥质结构，松散层状3．25竺3．85 细砂岩莽皇复：葬裴霞菱警’中厚层状'石英、长石为主，3．55L8生二二3L8 泥岩 暗灰色，泥质结构，块状，局部解理破碎—一曲——n≯q～n4、、0．3 ／，，，／， 煤 黑色，褐色条痕，块状、粉晶状，阶梯状断口，亮煤为主2．2513．22．75m 泥岩 灰色，泥质结构，块状，含植物根茎化石1‘{％蔷5矿、＼J亨三主／’7泥质砂岩灰～灰白色，块状，交错层理，局部地区渐变为细砂岩。＼、=二="-'7i／／75．32～10．5]j丽泥岩 灰色，泥质结构，块状，滑面发育，上部含砂质。部含炭质。图3邹庄煤矿东翼轨道大巷综合柱状图Fig．3Zouvillagecoalintegratedhistogramcastmaintracklane．9．万方数据2巷道围岩地质特征分析2．2围岩力学性能测试2巷道围岩地质特征分析2．2围岩力学性能测试2．2．1岩体的采集与加工深入矿井底部，从研究巷道附近采集较大的岩石块，装入实验盒，运回地面，最终运入实验室。依据?煤与岩石物理力学性质测定方法?MT44．87、MT45．87、MT47—87、MTl73．87的规定执行，利用实验器材进行钻取、打磨和切割，制成试验样品【391。随机选取局部制作最为完整的试件，携带至理学院力学实验室进行力学性能的测试与数据采集。泥岩取样两种：泥岩和泥质砂岩。2．2．2测试系统及局部测试试件展示图4电子万能试验机 图5抗压性能测试过程示意图Fig．4ElectronicuniversaltestingmachineFig．5Compressionperformancetestingschematic．10．万方数据2巷道围岩地质特征分析2．2．3泥岩抗压强度测试2巷道围岩地质特征分析2．2．3泥岩抗压强度测试表1泥岩抗压强度测试数据整理Table1mudstonecompressivestrengthtestdataprocessing编号直径(mm)高度(蛐)最大荷载o(N)抗压强度(Mpa)备注泥01 49．3074．7455．02621．7708测试结果奇异，舍弃泥02 49．3072．4563．55024．51014测试结果奇异，舍弃泥03 49．2891．3330．79214．89201泥0449．3199．4927．73114．58982泥0549．3089．8628．99313．78323泥0649．2882．0029．79612．93844均值去除报废试件及测试结果奇异试件，可知泥岩的抗压强度为14．05MPa。2．2．4泥岩抗拉强度测试表2泥岩抗拉强度测试数据整理(巴西盘劈裂测试)Table2mudstonetensiletestdataprocessing(Braziliandisksplittingtest)编号直径(mm)厚度(mm)最大荷载删) 抗拉强度(Mpa) 备注泥Ol 53．68 30．844 3．1922 1．48591泥02 53．691 29．029 试件破坏方式不对，试件报废泥03 53．713 29．909 2．3397 1．12244均值去除报废试件及测试结果奇异试件，可知泥岩的抗拉强度为1．30MPa。．11．万方数据2巷道围岩地质特征分析2．2．5砂岩抗压强度测试2巷道围岩地质特征分析2．2．5砂岩抗压强度测试表3砂岩抗压强度测试数据整理Table3sandstonecompressivestrengthtestdataprocessing编号直径(mm)厚度(mm)最大荷载(心D 抗拉强度(Mpa) 备注2．3岩层主要成分分析2．3．1岩石浸水试验从采集的大块矸石完成取芯工作，剩余局部切割成18mm左右的岩石浸入水中，用于岩石浸泡试验，实验切割过程中产生的岩石碎料，研磨成粉末，利用XD一3型多晶X射线粉末衍射仪，完成岩石矿物成分分析140I。把选取的试验石块平均分成两局部，两组碎石块与一定量的水一起放入密闭量筒中，观测量筒内试验品水平面的升降情况，以确定岩石体积是否存在扩张现象，进而判断岩石的膨胀性。从实验开始到测试阶段共浸水40天，量筒内水位变化微弱，说明岩石成分仅含少量膨胀物质，但是浸泡后泥岩碎块手握易碎，砂岩碎块在很小力度的撞击下出现完全碎裂现象，说明岩层中可能含有微量的膨胀成分或遇水软化物质。．12．万方数据2巷道围岩地质特征分析图6岩石浸水测试2巷道围岩地质特征分析图6岩石浸水测试Fig．6Rockimmersiontest2．3．2岩石的矿物成分分析实验仪器及条件：北京普析通用有限公司生产的XD．3型多晶x射线粉末衍射仪，衍射条件：Cu靶，管电压36kV，管电流40mA【411。邹庄泥岩试样XRD分析：图7邹庄泥岩XRD分析Fig．7ZouvillagemudstoneXRDanalysis万方数据2巷道围岩地质特征分析由图7可以看出，试样中主要含有五种晶体矿物，分别为高岭石2巷道围岩地质特征分析由图7可以看出，试样中主要含有五种晶体矿物，分别为高岭石(A12Si205(OH)5)、石英(Si02)、金红石(Ti02)、菱铁矿(FeC03)以及钠沸石(K2A12Si3010·2H20)。邹庄砂岩试样XRD分析：籼粉咖一一扣一霎lJ| A一儿。J|＼ 小。儿人．人一．人一 ．器104?oum．,Si0214-031：扫"G吖捌协．MOAJ2fPodl爿oH’2’疆12014-0164>KBoli№IA—A12Si20自OHt4I征加5移Calcite-c虻●一2。Ihera(。图8邹庄砂岩XRD分析Fig．8ZouvillagesandstoneXRDanalysis由图8可以看出，邹庄砂岩试样中主要含有五种晶体矿物，分别为高岭石(A12Si20s(On)5)、石英(Si02)、方解石(CaC03)、金红(Ti02)以及磷镁铝矿(MgAl2(P04)2(OH)2‘8H20)。岩石浸泡试验说明邹庄煤矿主要岩层岩石在水的侵蚀下，出现一定程度上的膨胀弱化。岩体主成分分析显示，砂岩、泥岩中均含有白云母、绿泥岩石等遇水易产生膨胀的矿物质m1。两实验综合证明邹庄煤矿巷道周围岩体均含有少量的遇水膨胀成分，膨胀成分虽然总量很少，但在水的作用下会使围岩的力学性能急剧下降，甚至完全失去承载能力。2．4本章小结综述邹庄煤矿东翼轨道大巷工程地质概况、水文地质，并根据巷道岩层纵向位置，制作剖面图，可以更加直观的观察巷道所处环境。现场采集试验样品，打磨制作标准试件，利用电子万能试验机分别对泥岩和砂岩试件进行抗拉、抗压能力测试，得出泥岩的抗压强度平均为14．05Mpa，砂岩的抗压强度平均为29．23Mpa。一14．万方数据2巷道围岩地质特征分析通过浸水试验及运用XD一3型多晶X射线粉末衍射仪岩质分析，得到岩层中2巷道围岩地质特征分析通过浸水试验及运用XD一3型多晶X射线粉末衍射仪岩质分析，得到岩层中岩石的主要成分，及岩质在水的作用下出现不同程度软化的实验结果。综合说明岩石中含有白云母、绿泥石等遇水膨胀物质，侧面得出了深层软岩巷道岩石自身承载力减弱的根本原因。实验结果说明围岩稳定性较差，为了到达大幅度降低变形速度的效果，在设计支护手段时需要考虑强支手段及注浆等。本章得到的试验数据及东翼轨道大巷围岩环境特征，为进行数值模拟添加边界条件，提出相应支护理论，设计支护方案，提供最根本的数据素材。为治理修复巷道，彻底解决破坏问题提供根本参考。万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析3巷道变形过程、原因及控制机理分析3巷道变形过程、原因及控制机理分析3巷道变形过程、原因及控制机理分析3．1巷道破坏过程岩梁中部及岩梁端部剪应力集中区域受压变形一岩石局部产生形变一应力集中面受到破坏一顶板低位区域与顶角发生弯曲一岩层受到拉伸或挤压，释放构造应力一两帮内角受到挤压一巷道顶板炸皮、冒项，帮部出现裂缝、片帮一破坏范围逐步扩大，转向深部【431。3．2东翼轨道大巷破坏变形呈现特征通过对巷道外表实地观察观测，整体来看受破坏段巷道变形表现特征为(1)拱形巷道的顶部及两侧腰部显现出混凝土喷层的炸皮、开裂甚至出现冒顶，同时巷道底板出现上移现象；(2)巷道两侧帮部出现内移倾斜，拱形支架腿部内敛，项角与底角严重破碎，逐渐产生全断面损坏现象，项帮底破坏的先后顺序变得难以区分；(3)支架拱型腰部发生了塑性弯曲，凹槽挤压成平板状，严重地段出现撕裂。(4)巷道整体最终呈现为变形严重，柱腿内收，底板隆起，顶板炸皮、冒落等破坏现象(巷道破坏现状图9)。(a)混凝土喷层炸皮与脱锚 Co)片帮现象万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析(c)巷道冒顶现象3巷道变形过程、原因及控制机理分析(c)巷道冒顶现象 (d)顶板开裂图9巷道破坏现状Fig．9Roadwaydestructionsituation3．3东翼轨道大巷围岩变形因素分析深层软岩巷道事故多发，主要是巷道在掘进过程中产生矿山自然压力剧烈活动的结果。巷道随着矿压的活动会产生多种破坏情况，如果得不到及时有效的维护、支护治理，很有可能造成裂缝突出、岩石垮塌等现象。因此研究巷道及周围岩体受到破坏的原因，从而提出相应的支护理论与支护设计方案具有很强的现实意义。巷道顶板在巷道所处位置最为特殊，较与巷道其它周围局部有其独特构造，而巷道帮部支撑着顶板下沉和底板上移，重要地位同样不言而喻。巷道变形的一般因素主要表现为这几个方面。(1)大巷原始应力很高，周围为软岩岩质、上层为复合顶板软弱围岩强度较低，自身稳定时间很短、来压极快，假设支护不及时经常造成围岩冒落。巷道上覆岩石层数复杂多样，规律性不强，各岩层层里缝隙与低强度的软弱煤岩层相互交错，从而各层岩石之间相互嵌合度变得较低，造成顶板复杂的自然条件。巷道帮部岩层受到断层破碎带影响，岩石抗压强度显著降低，同时风化带岩石受风化及地下水作用，产生泥化ⅢJ。(2)巷道开挖之后，导致围岩质点的应力状态产生较大改变巷道开挖之前，应力分散，十分稳定。巷道开挖导致的应力状态变化会使得巷道围岩(包括两帮)蠕变动力变强，在支护强度不够的情况下，巷道周围岩体蠕变动力将无法自止【451。开挖与掘进过程中，对两帮的治理没有得到足够的重视，严重的项底与底角内敛致使顶部支撑力进一步被削弱【蚓。根据巷道掘进初期围岩自承载结构特征分析，假设掘进初期能够及时采用强力支护结构，可以有效抑制松万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析动圈的扩大，形成岩体自承载力结构，就能够最大化运用自然条件。3巷道变形过程、原因及控制机理分析动圈的扩大，形成岩体自承载力结构，就能够最大化运用自然条件。围岩主承载结规律图10巷道掘进初期围岩自承载结构特征Fig．10Earlytunnelingofsurroundingrockself-supportings仃ucturalfeatures巷道开挖导致周围岩体应力状态发生变化(左为刚开完变形时期，右为持续变形时期)，如图11所示。图11周围岩体应力状态改变分析Fig．11Surroundingrockstresschangeanalysis①岩体弹性状态变化：一18-万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析q3巷道变形过程、原因及控制机理分析q2 H一仃1)一埘(盯2一盯2)+(仃3一仃3)】S2 k一仃2)一u[(o-3一盯3)+(盯1一仃1)]2S3 k一盯3)一u[(o-1一盯1)+(盯2一盯2)】2●一E●一E●一E②岩体体积状态变化：p：_1-2u[(q’一q)+(吒’一cr2)+(盯3’一cr3)】E③长期、持续变形：由于实验设备条件有限，三轴情况下的持续变形研究成果较少，造成理论计算与试验研究的短缺，现无法给出精确的量化计算公式。巷道周围岩体由于应力状态产生变化，导致质点形状和大小均发生改变，造成周围质点发生位移，从而形成质点长期流动，不易稳定。帮顶底均为巷道周围岩体整体构件的重要局部，任何部位受到破坏均可能由点及面，逐步造成整体结构失衡，从而丧失承载力。因此在整体控制巷道围岩变形中，一定要重视每一个支护强度是控制长期变形的关键H7l◆1◆构件，特别是两帮的控制。巷道开挖导致应力状态的改变，在自然条件下永远是朝向巷道方向，初期支护强度假设小于变形动力势必会引起巷道持续破坏，故加强I．二三二』二二羔釜羔二i二羔：二王二蔓羔二蔓王王釜薹二：二二．．羔I ? -_：__羔主．二 。-：．二：：羔：．．图12岩层较薄(左)和较厚(右)围岩蠕变过程分析Fig．12Thinstrata(1eft)andthicker(right)wallrockere印analysis如图12所示，岩层较薄的岩层(左)，应力状态改变产生的质点位移主要方向是朝向两帮局部，顶板与底板岩层主要承受弹性改变，仅仅会在开挖最初阶段完成变形，不会产生长期蠕变。岩层较厚的岩层(右)，巷道四周均会承受质点移动带来的压力，由于研究巷道四周为软弱围岩，变形过程中无法受到较强的约束力作用。随之，松动圈不断扩大，对支护结构承载力要求也不断提高，最终到达承受极限，产生破坏。在两淮地区的淮南矿业集团潘北煤矿2610巷道、回风巷出现万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析顶底和片帮，涡北煤矿8100机巷两帮内移、冒项现象，恒源煤矿运输大巷长期变3巷道变形过程、原因及控制机理分析顶底和片帮，涡北煤矿8100机巷两帮内移、冒项现象，恒源煤矿运输大巷长期变形、屡次返修等，均是这种因素没有得到彻底解决造成。(3)巷道顶板水十分丰富水文地质特征相对简单，但水量却十分丰富，造成周围承载岩石软化，围岩支撑力逐渐变弱，为冒顶、滑落、片帮等现象创造了极好的条件。顶板比拟丰富的水量通过渗透、冲击，顺流而下侵蚀帮部与底部，帮、底部围岩软化导致松动圈扩大，造成两帮软化，支撑项板的力量变得更加弱x[4引，同时也为片帮创造良好条件。井下水的疏导不够畅通，容易导致周围岩体受侵蚀严重，承载力严重受损，易以点扩面，使得巷道全部破坏。顶板流水直接造成岩石软化，进而使得周围岩体强度进一步降低，岩石的软化性是指岩石与水相遇作用时强度降低的特性【4卅(11：软化系数；R佣：饱和抗压强度；Rcd：干抗压强度)。它们三者之间的数量关系为：，7：坠月耐软化系数越大说明岩石受水侵蚀的影响越小，不同岩石矿物质成分与风化程度决定了该岩石的软化系数，根据查询得到矿区主要的岩石软化系数，如表5。表5岩石软化系数列表Table5listsrocksofteningcoefficient抗压强度／Mpa岩石名称干抗压强度Rcd 饱和抗压强度R。 软化系数〞花岗岩 40．0．220．0 25．0—205．0 0．7-0．97闪长岩 68．8．159．7 O．6．0．74辉绿岩玄武岩 102．7—290．5 102．O．192．4 0．71—0．92石灰岩 l3．4．206．7 7．8—189．2 0．58—0．94砂岩 l7．5．250．8 5．7．245．5 0．44—0．97页岩粘土岩凝灰岩 61．7—178．5 O．52_0．86万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析(4)原支护形式存在单一、不合理现象3巷道变形过程、原因及控制机理分析(4)原支护形式存在单一、不合理现象巷道现用支架无法控制深层围岩，支护措施在变形后期起到一定作用，己覆水难收。原有的巷道支护设计不尽合理之处也是常规巷道支护通常的毛病，即对项板防护相对严格，但两帮与底板支护的加固方案要求较低[SOl。围岩强度较高的地质环境，加强帮部的支护可以有效控制整体变形。然而，邹庄煤矿东翼轨道大巷，帮部的支护强度远远不够，帮部锚杆(索)位置需要大量调整。多数巷道在强帮支护的条件下就可以有效抑制顶底的变形，相对局部构造带的特殊软岩巷道就需要在底板增设锚索或进行注浆保证支护效果[5卜521。巷道同时受到构造强应力与次生高应力的影响，使巷道帮部岩石破坏呈现垮滑状态，应力集中较大的底角处没有采用任何支护方式，使得两帮呈现收敛内移破坏状态。巷道周围所处环境复杂多样，但原支护形式仍采用传统单一支护结构和单一支护参数，这些都无法与深层软弱巷道地压特征相适应。(5)施工过程不严谨在光面爆破中所要求的多打眼少装药原那么并没有得到监督实施。巷道成型过程中存在平挖与偏移挖掘设计线问题，产生支护关键位置应力集中的危险点，无法形成有效组合拱。另外，局部巷道段应该喷射混凝土的局部岩体裸露在外，锚杆安装角度太偏，实际锚杆长度比支撑围岩稳固的长度偏小，锚杆与岩石层理面不能形成垂直安装，产生剪力作用。总而言之，由于邹庄煤矿东翼轨道大巷埋藏较深，原始地应力本就较大。较大的水平地应力使得底板与帮部岩体中发生了程度很高的应力集中，另一方面导致较深部的岩石发生底板径向的较大的弹性变形和蠕变，易产生持久帮部内移。根据第二章巷道围岩主要成分分析，岩石中微膨胀物在水的作用下使岩体的硬度与刚性大幅度削弱，形成积弱围岩。通过揭示巷道受到破坏的综合因素，阐述了变形巷道受损严重、区域面积大、破坏速度呈现增大趋势的原因。通过分析巷道所处深层软岩变形的主客观因素，为能够设计出科学的支护方案提供重要参考。综上所述，结合巷道实际情况，要求我们不能再用低本钱的单一锚杆或锚索对该巷道进行支护，否那么将会出现屡次返修增加本钱和影响工程开采进度的问题，更万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析严重会产生巷道报废的严重后果。3巷道变形过程、原因及控制机理分析严重会产生巷道报废的严重后果。3．4固圈强壳控制机理3．4．1巷道变形控制依据(1)嵌入互补支护方法。普通支护方案中锚杆(索)采用普通圆盘形钢片，无法充分发挥钢筋网与锚杆(索)之间嵌合能力，而现在以高强度的钢带作为特有的托盘，从而锚杆(索)通过钢筋网与整条钢带极大增强对岩壁支撑范围。这样锚杆(索)、钢筋网和高强度钢带加固产生互补作用。三种结构有效实行不仅能够加固锚杆(索)的支撑能力，把锚固力的利用率到达最高层次，同时钢带结合钢筋网扩大了对巷道近处围岩的支撑作用。如此，锚杆(索)、钢筋网与钢带，分别支撑巷道围岩远处与近处的应力，产生互补效果。(2)强支降压与借力提力。当支护强度的增强，松动圈范围得到控制，外围稳定岩体中应力集中的程度得到控制，最终支护结构上承受的集中压力也逐渐分散。通过提高松动圈的膨碎力和破碎煤体的压实度，最终到达压力越大，与此同时锚固力也会增强，支护结构的承载力也随之提升的特殊效果。巷道开挖后，围岩内的自承载结构将受到外围岩体环向应力圈对它的挤压力作用，利用锚杆(索)、钢筋网、钢带镶嵌作用使得支护结构与围岩融为一体，从而产生控制周围拱形岩体变形的极佳效果。3．4．2固圈强壳控制变形机理分析(1)切向应力与径向应力控制减小切向应力预示围岩最大主应力变小，增大径向应力预示围岩最小主应力变大。最大最小主应力之间差值的减少可以很大程度削弱蠕变动力，控制巷道破坏速度。(2)承载拱应力削弱效应设置锚索具有松动圈承载拱内侧向两拱外发散力的作用，从而大幅度减小两拱两侧截面轴力。两拱两侧横截面上轴力的减小意味着可以较大程度上削弱两拱的破坏应力与径向应变，起到降低围岩与支护结构之间压力的作用。万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析3巷道变形过程、原因及控制机理分析图13锚索对围岩加固作用Fig．13Cablesrockconsolidationeffect(3)支护强度增强支护强度增强时，周围岩体在缺少足够变形动力的条件下逐渐趋于稳定，巷道变形逐渐停滞。在一定程度上控制周围岩体松软性，稳定岩体磨合处界面的切向应力与膨碎力变的稳定，巷道内侧受力随之变弱。平锚索可以起到到借力效果，进一步控制片帮的发生。支护强度缺乏够强时，松软围岩范围就会扩大，此时想抑制松软岩体范围，只能运用更大的膨碎力作用在磨合界面，支护结构体承受的应力也进一步加大，导致变形的发生。钢带和双层钢筋网的运用，可以在很大程度上增强支护强度，抑制周围松动岩体的扩散。如图14，松动圈外围上的压力q2=03与支护结构和围岩之间的压力ql成线性关系，其随着ql的增大而增大。由于(01-63)值越小，围岩蠕变动力就会越低，当(6l—03)值小到一定程度，围岩的蠕变就会停止下来，于是外围岩体就得到稳定，否那么松动圈将继续扩大，而松动圈的扩大会导致ol的增大，此时要想抑制松动圈的继续扩大，必须提高q2=63的数值，所以在保持N不变的情况下，此时只有继续增大q1，才会保持松动圈的平衡状态【5图14支护强度与松动圈外围压力关系Fig．14Supportingstrengthand加ctllreringperipheralpressurerelationship万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析(4)应力转移3巷道变形过程、原因及控制机理分析(4)应力转移支护结构中设置锚索借助于钢带对围岩实施了一个径向向外的作用力，由于岩石具有较大的内摩擦角，在长条钢带作用下扩大其有效覆盖范围，该作用力在其范围内的竖向与水平地应力均会削弱，使得外围岩体的作用力减小。换而言之，利用锚杆(索)、钢带把近距离围岩承受的应力转移到远距离围岩。巷道帮部并不是巷道围岩承载最脆弱的区域，一般不会像顶部一样发生严重变形，甚至垮落冒项现象。事实上，项板与底板上下两面会对帮部产生高强度的挤压，所以也需要强帮手段进行支护。底板支护时需要充分利用底部围岩的自身承载，从而减弱支护构架所承受的载荷，挖掘围岩最大潜力，保护材料的最大承压空间。底部注浆可以粘合碎散石块与岩层缝隙，恢复岩体自身承载力，较大程度的防止支护材料承载力的无谓消耗。画图15应力转移示意图Fig．15Stresstransferschematic综合固圈强壳控制变形机理，需要设计底板注浆、项部锚杆补强、帮部锚索+双网+钢带+注浆的组合方式，可以改善围岩应力状态，整体增强支护体抵御能万方数据3巷道变形过程、原因及控制机理分析力。3巷道变形过程、原因及控制机理分析力。3．5本章小结简要说明巷道破坏的过程，对巷道破坏变形呈现出的特征作出阐述，说明巷道的破坏现状十分严重，很大程度上影响着矿山生开展。巷道假设得不到及时有效的修复，可能会出现巷道报废的严重后果。分析得出软弱围岩岩层的流变性及岩体的积弱性，巷道所处位置的自然条件是造成巷道破坏变形的根本原因。另外，原始应力大、应力状态改变、水量丰富、支护形式单一、施工不严谨等多种复合因素也是造成巷道破坏的重要方面。巷道变形控制以嵌入互补思想、强支降压与借力提力为主要依据，分析得到控制巷道变形的固圈强壳机理分为切向应力与径向应力控制、承载拱应力削弱、增强支护强度、应力移动四个方面。依据顶帮底承受应力方位与巷道围岩环境特征分析，提出的固圈强表理论思想，具体通过“锚杆(索)和双层钢筋网混凝土喷层+高强度钢带+注浆〞设计实施。万方数据4不同支护结构的数值模拟4不同支护结构的数值模拟分析4不同支护结构的数值模拟4不同支护结构的数值模拟分析4．1数值模拟概述与软件介绍4．1．1数值模拟概述数值模拟也经常被称为计算机模拟，利用计算机软件产生计算数据和图像，通过比拟的方式，对机械问题、工程问题及多种学科问题进行研究，常见的三种数值分析方法为有限元方法、有限元差分、有限元体积计算【541。一般分为七个基本步骤：建立数学模型(根本守恒方程)；建立工程问题模型(原始处理建模)；离散方程(格式与方法的选择)；运用求解算法计算；调试程序；处理研究结果；改良模型或提出指导方案【55J。4．1．2数值模拟与实验的比拟(1)范围广。对于能够利用实验得到精确数据的材料，都会尽量使用实验的方法得到精确数据，再次利用数值模拟的方法进行检测。然而，在研究巷道支护方案设计等实际科研问题之中，很难进行直观实验。相反，数值模拟软件内部设计的相应系统能够计算出多种复杂情况下的过程，应用范围更加广泛【561(2)求解速度快，本钱低。实验能够直观的得到实验现象和实验数据，但操作过程相比照拟复杂，一般岩石实验周期比拟漫长，实验材料搜集困难，仪器购买与运作经济本钱较高。数值模拟能够迅速的得到结果，仅利用计算机数值模拟软件就可以完成，本钱低廉、结果易得【5¨。(3)数据的采集与处理。实验在采集实验数据时只能采集特殊节点的应力应变等具体数据，得不到整个材料各个点的应力应变值，在数据处理时只能处理部分精确数值。数值模拟可以对各个测点和区域进行全方位应力分析、位置分析，计算更加全面。另外，数值模拟还可以任意施加各个方向的载荷和实验所达不到的可能条件，得到的数据多种多样，范围庞大。合格准确的数值模拟方法可以指导实验研究和理论分析，弥补实验工作的缺乏，通过两者数据结果的比拟可以判断其可行性【5引。4．1．3模拟软件的介绍有限元分析是迅速开展起来的运用现代计算方法对结构力学进行分析的方万方数据4不同支护结构的数值模拟法，常见的有限元分析软件公司包括ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四州59】。4不同支护结构的数值模拟法，常见的有限元分析软件公司包括ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四州59】。按结构分析能力排名ABAQUS占据首位，在土木水利、材料航空、汽车电气、工业设计等多个领域中是十分常用的软件160】。ABAQUS解决问题的范围广泛，从线性分析到非线性分析均可实现，是功能十分强大的工程数值模拟软件，拥有丰富几何形状单元库和材料模拟库。ABAQUS可以进行结构的静态和动态分析，如应力过程、变形程度、振动与冲击、热量传输和对流扩散、质量分解、声波传导、力磁组合分析等等【6¨。另外，它还拥有比拟丰富的单元模式，如杆构、梁架、金属支架、板材、壳体、球体等，且而操作也很简单，复杂的问题可以很容易利用不用组合的选项块模拟出来。ABAQUS模拟过程主要分为三个局部：前处理(划分网格，设置材料、边界、压力属性，监控分析结果)_求解器(模拟计算)_后处理(对压力、位移等计算结果进行处理，以云图、折线图等显现出来)，具体运用运行过程如图16所示162】。图16ABAQUS具体运用运行过程Fig．16ABAQUSspecificapplicationrunning现在利用大型有限元计算软件ABAQUS对嵌合互补结构的强度效果进行模拟分析。此次模拟将采用比照的手段，对邹庄煤矿东翼轨道大巷支护方案在控制巷道变形，保持巷道稳定性方面的作用进行分析，并试图发现其中所蕴含的机理。为了便于观察比拟，分别对下面三种情况进行模拟比拟【63】(1)单纯U型钢支架结构-27．万方数据4不同支护结构的数值模拟(2)双层钢筋网混凝土喷层组成的双网结构4不同支护结构的数值模拟(2)双层钢筋网混凝土喷层组成的双网结构(3)锚杆(索)和双层钢筋网混凝土喷层+高强度钢带+注浆组成的嵌合互补结构4．236U型钢支架的模拟分析4．2．1模拟分析的根本思路众所周知，有限元模型的网格划分越细，计算精度越高，为此计算模型的网格都划分成了辐射状，巷道所属局部的网格相对密度更大，让有限的计算机资源得到充分利用l“l。利用软件分别对“U型钢支架、双网结构、嵌合互补结构〞进行网格划分，并对这三种支护效果进行了模拟计算分析。模拟结束后利用比照来反映设计方案的支护效果。图17有限元模型网格划分示意图Fig．17Schematicfiniteelementmodelmesh4．2．1模型概述与文献【65]类似，建立U型钢支架在底板支撑和摩擦共同作用下的有限元计算模型，模拟净宽5m、净高4．3m的u型钢支架在竖向及水平方向压力共同作用下的受力及变形特征。所采用的材料参数、边界条件、模拟步骤均与文献相同，一28—万方数据4不同支护结构的数值模拟4不同支护结构的数值模拟简要列于下表表6材料参数Table6materialparameters前后宽面在z方位无位移，左右两个窄面在x方向无位移，窄长底地面在Y方向无位移U型钢支架竖直压力设为0．1Mpa,水平压力设为0．06Mpa此外，底板与U型钢支架棚腿底端的水平摩擦系数为0．4，在竖直方向上每10KN的压力对应lmm的底板插入深度。图18网格划分示意图Fig．18Meshingdiagram历时89小时，配置CPU频率32G、内存32G的计算机利用ABAQUS软件给出了计算结果增量为0．4个‘661，表示仅仅施加了原先设定荷载的40％，软件已经无法承受U钢支架的变形。一29-万方数据4不同支护结构的数值模拟4．2．24不同支护结构的数值模拟4．2．2U型钢支架的变形情况图19棚腿插入底板示意图Fig．19InsertionofbottomofUshapesteelsupportintotheroadwayfloor图20u型钢支架收敛变形示意图Fig．20ConvergencedeformationoftheUshapesteelsupport比照变形前后的U型钢支架，可以发现模型中整个U型钢支架都只有向内收敛的位移，没有外扩和上移，符合实际情况。U型钢支架拱顶下降了136．2mm，棚腿底端水平位移量467．1mm，向下位移287．7mm，棚腿插入底板深度为一30一万方数据4不同支护结构的数值模拟271．5mm。说明如果巷道断面较大，单纯的U型钢支架的承载能力非常有限。需4不同支护结构的数值模拟271．5mm。说明如果巷道断面较大，单纯的U型钢支架的承载能力非常有限。需要考虑补强或采用其他强度高的支护方式。4．3双网结构的模拟分析4．3．2设计模型邹庄煤矿东翼水平轨道大巷断面参数如下：表8东翼轨道大巷断面参数Table6eastmaintrackparametersectionroadway模型建立规格：40mx40mx3．5m长方体为模型，在模型中央划分为巷道，如图21所示。图21模型几何尺寸示意图Fig．21Schematicmodelgeometry一3l一万方数据4不同支护结构的数值模拟图22钢筋网模型4不同支护结构的数值模拟图22钢筋网模型Fig．22Steelmeshmodel4．3．3边界条件添加边界约束：如图23所示，项边自由，两帮边界上约束1方向自由度，底面上约束3方向自由度，前后约束2方向自由度。添加上覆地层压力F=15MPa，重力加速度取为9．8kg．州s2，水平侧压系数取0．9㈣。图23巷道边界条件施加示意图Fig．23Aschematicviewoftheboundaryconditionsimposed-32-万方数据4不同支护结构的数值模拟4．3．4材料参数4不同支护结构的数值模拟4．3．4材料参数综合模型简化分析、试验数据根底、现场岩体和实际岩芯参数的不同三种因素，根据D—Pragerplasticity关系分析，运用数据拟合软岩及硬岩与形变的试验数据得到一一软岩：Y=2．4e．20，a=4，b=一0．3；硬岩：Y=2．5e．30，a=3，b：一0．6t681。表9材料参数表Table8matedaldatasheets4．3．5模拟准备根据图24，可以看到状态平稳后的地应力分布状况，计算比例与侧压系数0．75的相似度较高。同样的根据图25，清楚发现位移分布同样符合计算要求，数量级为10～。万方数据4不同支护结构的数值模拟图24地应力平稳后X(上)，Z(下)方向应力分布4不同支护结构的数值模拟图24地应力平稳后X(上)，Z(下)方向应力分布Fig．24TostressafterthebalanceX(Left)，Z(right)directionstressdistribution图25地应力平衡后的位移分布Fig．25DisplacementDistributionbalanceafterstress由于塑性模型Mises应力定义塑性屈服，所以在模拟时应用Mises应力替代实际应力分量。开始施工掘进巷道以后，围岩的力学状态在一定程度上发生偏移和改变，沿巷道外表的切向应力随着深入，呈现逐渐扩大之势。嵌合互补结