矩形巷道围岩变形破坏机理及其在王村矿的应用的研究.pdf

矩形巷道围岩变形破坏机理 及在王村矿的应用研究 专 业：岩土工程 博 士 生：于远祥 指导教师：谷拴成 教授 日 期：20 13 年 06 月 论文题目:矩形巷道围岩变形破坏机理及在王村矿的应用研究 专 业: 岩土工程 博 士 生: 于远祥 （签名） 指导教师: 谷拴成 （签名） 摘 要 复杂条件下矩形巷道围岩破坏规律及其支护技术研究是煤矿建设和生产中的重要 课题之一。开展矩形巷道围岩变形机理研究具有重要的理论意义和工程实用价值。本文 以王村煤矿为工程背景，采用理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法开展研究工 作研究等多种方法，对矩形巷道围岩的变形破坏机理进行深入研究，所得成果在 13503 工作面运输顺槽的支护试验中得到了成功应用。主要结论有： ⑴研究了矩形巷道围岩变形破坏的基本规律。结果表明，当高跨比一定时，随两帮 侧压力的增大，矩形巷道角部应力持续增加。当角部岩体所受压应力超过其极限强度后 产生压剪破坏而形成塑性区，在顶底板和两帮的中间部位首先发生拉裂破坏，表现为顶 底板及两帮的位移量均逐渐增大；当侧压力一定时，随高跨比的增加，矩形巷道围岩应 力最大值仍出现在顶底板与两帮的角部区域内，角部应力先增加后降低，并在高跨比为 1 时达到最小值。两帮稳定性随巷道高跨比的增加逐渐降低，而顶底板稳定性则随其高 跨比的增加而迅速增加，表现为两帮位移量随巷道高跨比的增加而增加，而顶底板位移 量却随巷道高跨比的增加而减小。 ⑵分析了矩形巷道围岩变形破坏的力学机理。结果表明，单一岩层顶板的稳定性取 决于弹性模量、泊松比及其厚跨比，而复合层状顶板的稳定性则与其综合弹性模量及泊 松比密切相关，其变形破坏过程包括承载调整→刚度弱化→应力调整→顶板稳定或失稳 四个阶段；将矩形巷道帮部的变形区域划分为破碎区、塑性区及弹性区，给出了巷帮极 限平衡区内岩体荷载的分布规律，建立了巷帮塑性区宽度及其水平位移公式，推导了两 帮挤压流动下巷道底板的最大破坏深度。 ⑶研究了矩形巷道不同顶板的破坏范围及其形态。针对普氏平衡拱理论在工程实际 运用中的不足，讨论了底板稳定和两帮楔形破坏时不同侧压力下单一岩层顶板及复合层 状顶板的平衡拱形态及矢高。针对矩形巷道围岩破坏后围岩应力状态按椭圆巷道分布这 一特点，以椭圆巷道的最大内接矩形巷道为条件，分析得到椭圆巷道与其最大内接矩形 巷道具有相同的高跨比。基于椭圆巷道围岩应力与轴比的关系，建立了矩形巷道最佳高 跨比与其侧压力系数的关系公式，为矩形巷道断面的合理设计提供了依据。 ⑷开展了矩形巷道围岩变形破坏的现场实测研究。针对现有围岩松动圈理论在研究 矩形巷道围岩变形破坏时的不足，运用深基点多点位移计和钻孔窥视相结合的方法，对 王村煤矿主要矩形回采巷道围岩的变形破坏范围进行了现场监测。结果表明，当断面面 积一定时，巷道顶板松动范围随高跨比的增加而减小，两帮松动范围则随高跨比的增加 而增加。通过对大量实测数据的整理与分析，建立了考虑巷道埋深、岩性及跨度的围岩 松动范围预测公式。 ⑸以王村矿 13503 工作面运输顺槽为试验巷道，运用研究成果对巷道断面尺寸和原 有支护方案及参数进行了优化。结果表明，基于矩形巷道围岩变形破坏机理来确定其围 岩断面大小和支护参数是合理可行的。 关 键 词：矩形巷道；变形机理；普氏理论；有限元；现场实测；支护设计 研究类型：应用基础研究 Subject : Study on the Deformation Mechanism of the Surrounding Rock in Rectangular Laneway and Its Application in Wangcun Coal Mine Specialty : Geotechnical Engineering Name : YU Yuanxiang