深井大断面硐室双强壳体支护机理及应用研究

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深井大断面硐室服务年限长,在高应力等诸多因素作用下,围岩破碎、底鼓量大,特别是硐室经多次返修后,围岩自承载能力近乎完全丧失,一旦破坏严重制约着矿井的正常安全生产。  针对当下千米深井大断面破碎围岩硐室支护难题,以唐口煤业公司最大断面跨度9.8m、高7.3m的绞车房硐室为工程背景,通过现场实测、理论分析、数值模拟等研究方法,系统分析了深井大断面硐室围岩破坏机理:  (1)深井大断面硐室围岩应力高,在底板帮角处集中系数可达3.61;围岩松动破坏范围达到4m;在高应力作用下,顶底板两帮破坏相互交叉、相互影响、围岩破坏严重。  (2)现场实测水平地应力达到19.9MPa,经计算底板发生屈曲破坏的临界载荷为17.7MPa,在高水平应力作用下,硐室底板发生屈曲失稳破断;失稳围岩沿破裂损伤面滑移鼓起,底板破坏深度3.61m。  在深入研究深井大断面硐室围岩破坏机理的基础上,以全断面均称支护,底板重点加强防治为出发点,提出了深井大断面破碎围岩硐室加固支护技术:  (1)全断面双强壳体加固支护技术  外层由“锚索+初注、深部复注”形成第一道稳定的围岩自承载壳体;内层由“U型钢棚+格构网作骨架浇筑而成的衬砌”形成第二道强壳体,系统分析了双强壳体作用机理;应用板壳理论,推导内层壳体的最小承载能力qσr=0.68Eh3。  (2)强基础梁底鼓治理技术  以“反底拱U型钢梁为基础骨架、高强预应力注浆长锚索束牵引工字钢梁承载抵御变形、浅层封闭与初注、深部复注”的超强支护。系统分析了强基础梁加固底板力学机理,推导了强基础梁承载能力计算公式。  依据唐口煤业绞车房硐室的具体破坏情况,以双强壳体及强基础梁加固支护技术为指导,设计了具体的加固修复方案,确定了相关的施工工艺参数;实际应用效果良好,全断面围岩稳定,顶底板最大移近量64mm,两帮最大移近量65mm。
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