摘要
目前，平顶山矿区已经进入深部开采。深部巷道地应力高、围岩岩性差、巷道变形量大，巷道支护困难，维修费用高。当前深部工程软岩巷道支护理论与围岩控制技术，已成为矿业工程领域研究的热点和难点。针对平顶山矿区典型煤矿深部巷道围岩工程地质条件，论文采用实验室试验、理论分析、数值计算以及现场工业性试验等方法，研究了煤矿深部巷道围岩变形破坏基本特征，提出了深部工程软岩巷道“拱壳组合拱”支护模型，分析了“拱壳组合拱”的形成过程、稳定性影响因素以及支护机理、提出了“拱壳组合拱”支护技术，并在平顶山矿区进行了现场工业性试验。论文主要研究成果如下： （1）提出了深部巷道“拱壳组合拱”支护和力学模型。该模型以围岩为主体，由橡胶钢丝绳网喷射砼壳（简称薄壳）、锚注压缩组合拱、浆液扩散加固拱以及底板卸压结构共同组成。 （2）揭示了深部巷道“拱壳组合拱”的形成过程和支护机理。当深部巷道围岩断面掘出以后，采用锚杆和橡胶钢丝绳网砼喷层对巷道顶板和两帮进行支护，形成由柔性混凝土喷层组成的薄壳体，薄壳体能够有效改善混凝土的各项力学性能，增加混凝土喷层的极限变形量，提供初期支护阻力；然后在巷道底板两角布置底板卸压槽，形成底板卸压结构，底板卸压槽能够吸收围岩变形能量，阻断应力传递，将浅部围岩高应力转移至围岩深部，控制巷道底鼓并提高支护阻力；之后在薄壳体外围利用注浆锚杆对巷道围岩进行注浆加固，浆液扩散以后，锚杆全长锚固，增加了锚杆的锚固性能，形成锚注压缩组合拱，锚注压缩组合拱进一步提高了巷道围岩强度和自承能力，从而实现深部巷道围岩的长期稳定。 （3）分析了深部巷道“拱壳组合拱”的稳定性影响因素。不同支护方式下随着埋深和深部巷道侧压系数的增大，“拱壳组合拱”的稳定性受构造应力影响显著，围岩变形破坏严重的区域依次为巷道的顶板、两帮和底板；底板卸压槽能够改善巷道围岩应力状态，减小巷道浅部围岩应力，增大底板塑性区范围，实现围岩卸压，有利于围岩注浆；围岩注浆能够提高围岩强度，减小围岩变形，减小围岩塑性区范围，促进高应力向围岩深部转移，使巷道浅部围岩处于低应力区，使围岩整体性更好；卸压与注浆的相互作用，保证了“拱壳组合拱”的稳定性。 （4）阐明了深部巷道“拱壳组合拱”中拱和壳的作用关系，建立了锚注支护混凝土喷层和锚杆力学耦合关系。给出了“拱壳组合拱”承载能力的计算方法，确定了“拱壳组合拱”的结构参数，得出了深部巷道“拱壳组合拱”承载能力的计算公式。 （5）提出了深部巷道“拱壳组合拱”支护技术。该技术将多层锚杆支护、橡胶钢丝绳网柔性混凝土喷层、围岩注浆支护三种主动支护技术耦合以后，配合底板卸压与加固联合支护，应用于平煤一矿深部工程软岩巷道支护中。在现场实施“拱壳组合拱”支护技术后，经过矿压观测，围岩整体性和完整性较好，巷道围岩处于稳定状态，取得了良好的支护效果。 论文研究成果为平顶山矿区深部巷道翻修和新掘巷道支护设计和施工提供技术支撑，能够有效控制深部软岩巷道的长期稳定。
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