深部高应力软岩巷道失稳机理及补偿支护技术研究

煤炭科学技术
网络首发时间：2024-08-06 14:13:47

作者

李伟涛郭志飚何满潮汤建泉
单位

中国矿业大学（北京）隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室中国矿业大学（北京）力学与土木工程学院山东科技大学采矿工程研究院铁法煤业（集团）有限责任公司小康煤矿
摘要

深部开挖岩体应力重分布是多元应力的复合力学问题。首先，基于弹性理论叠加原理，建立了深部高应力软岩巷道开挖瞬间的围岩力学模型，研究了切向应力σ1和径向应力σ3的变化规律。其次，构建了深部高应力软岩巷道的支护力学模型，揭示了围岩的支护效应。然后，通过物理模型试验，探究了常规支护和补偿支护下围岩σ1和σ3的响应特征及相应的失稳机理。最后，通过数值模拟和现场工程应用验证了补偿支护技术的适用性。结果表明：深部高应力软岩巷道应力重分布呈现径向卸压和切向增压的趋势，开挖瞬间巷道边缘σ1变为原来的2倍而σ3降为0。对开挖岩体进行支护后，巷道边缘σ3为围岩的支护力，σ1随支护力的增加而降低。与常规支护相比，补偿支护围岩变形量降低73.7%，破裂碎胀面积降低88.3%，裂隙长度降低11.0%。浅部围岩（0.5R）σ3提高68.3%，σ1峰值下降18.2%。常规支护补偿效应弱，围岩σ3大幅衰减且σ1集中程度高，促使裂隙持续张开并纵深延长，易造成围岩碎胀扩容变形。补偿支护通过NPR锚索充分发挥围岩三轴强度并调动深部岩体自承力，围岩σ3补偿程度高且σ1显著降低，从而抑制裂隙的传播和穿透，进而实现围岩自稳。软岩巷道采用补偿支护技术后，NPR锚索（Negative Poisson’s Ratio）实现恒阻，围岩变形和支护破坏程度显著降低，表明该技术对深部高应力软岩工程具有良好的控制效果。
关键词

软岩巷道失稳机理补偿支护力学分析模型试验
文章目录

0 引言
1 工程地质背景
2 围岩开挖力学分析
2.1 围岩力学模型
2.2 支护力学模型
3 物理模型试验研究
3.1 模型试验方案
（一）模型试验装置及加载方案
（二）模型支护方案
（三）模型监测方案
3.2 围岩裂隙场分析
3.3 围岩位移场分析
3.4 围岩应力场分析
（一）径向应力时空演化规律
（二）切向应力时空演化规律
3.5 锚杆（索）轴力分析
4 深部高应力软岩巷道失稳机理分析
5 现场工程应用
5.1 支护方案数值分析
5.2 现场监测
6 结论
引用格式

李伟涛,郭志飚,何满潮,等.深部高应力软岩巷道失稳机理及补偿支护技术研究[J/OL].煤炭科学技术,1-18[2024-08-06].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.td.20240806.0947.002.html.