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論文提目：大斷面硐室圍巖變形機理及控制技術研究
一、選題背景
近年來，隨著我國採礦、交通、水電等各類工程的大規模建設，出現了大量不同斷面尺寸的險道、巷硐(目前，巷硐斷面尺寸的劃分主要以日本隧道協會和國際險道協會的判斷標準為主。特別是伴隨著採掘、運輸機械逐步大型化，巷道斷面尺寸也不斷加大，眾多大斷面、超大斷面硐室應運而生。這類巷硐受斷面尺寸大、地質條件差及採動應力場分佈複雜等因素的影響，其圍巖變形破壞機理比傳統的中小斷面巷硐更為特殊複雜。
巷硐斷面的不斷擴大，給巷硐圍巖變形控制帶來了很多新問題。近年來，在巷硐支護工程中，錨杆支護技術被廣泛應用。這種支護方式對圍巖變形控制效果明顯、而且施工成本較低，成為處理煤層巷硐支護問題的有效方法。但傳統的巷道支護方法和圍巖穩定性控制理論主要是解決常規斷面巷道支護的問題(傳統巷道寬3.5-4.5m、高3.0-3.5m)，現階段，針對大斷面巷銅支護問題的理論研宄和成熟的工程實踐十分有限，導致大斷面支護問題，特別是複雜地質條件下的大斷面支護問題尚未得到很好的解答。大斷面巷道圍巖穩定性研究仍處在初始探索階段，因未能有效掌握大斷面巷硐圍巖變形機理及控制技術，煤礦的安全高效生產受到了極大的制約，這一問題被越來越多人們所關注。大斷面巷硐在掘進過程中產生了一系列嚴重的圍巖失穩現象，常規的支護方法已無法滿足其使用要求。大斷面巷硐的出現是對傳統圍巖控制理論及支護技術的一種嚴峻挑戰。因此，通過掌握合理的大斷面巷硐圍巖變形破壞規律，探索正確的大斷面巷硐圍巖變形破壞機理，並結合具體地質條件確定合理的巷硐支護方案便成了一個非常重要的研究課題。此課題的分析研究既能對一般條件下巷硐圍巖穩定性控制問題進行解答，又能對複雜地質條件下的大斷面巷硐控制技術問題進行有益的探索和完善。綜上所述，開展關於大斷面巷硐圍巖變形機理及控制技術的研究，對建立安全高產高效礦井具有重要的理論意義和實用價值。
二、研究目的`和意義
本課題以王莊煤礦+540m水平井下大斷面支架換裝硐室為工程背景，對上述問題進行研究。該硐室圍巖條件差，斷面尺寸大(荒斷面達到96m2左右)，給掘進、支護工程帶來很大困難，硐室掘進初期，硐室頂板出現開裂、兩幫變形嚴重，最大移近量接近Im，並伴有較為嚴重的底鼓,圍巖控制難題亟需解決。本文結合支架換裝硐室的地質賦存條件、對其圍巖變形破壞機理進行研究，並結合大斷面硐室圍巖控制原理，提出了合理的圍巖支護方案，以確保大斷面硐室圍巖結構的穩定。這不僅在理論上對我國複雜地質條件下大斷面硐室圍巖支護技術難題進行了有益的探索補充，同時對解決王莊煤礦大斷面支架換裝硐室掘進、支護、安全生產等問題也具有十分重要的現實意義。
三、本文研究涉及的主要理論
劉高、聶德新等學者在研究高應力軟巖形成條件、力學特徵的基礎上，對高應力軟巖巷道圍巖的變形破壞特徵進行分析，同時研究了巷道圍巖開挖後初始應力與二次應力的分佈特點，從而揭示高應力軟弱圍巖的變形破壞機理。
楊永剛，張海燕以潘三煤礦兩條沿空巷道典型試驗為背景，對深井高地壓沿空巷道的圍巖變形機理進行研究，通過數值模擬計算方法確定了深井沿空巷道所需留設的合理煤柱寬度，並進一步提出了深井沿空巷道圍巖支護原則。
朱建明從礦物分析、水理分析及岩石的三軸試驗出發，結合受採動影響巷道圍巖大變形的變形、力學特徵，以小官莊鐵礦和安家嶺二號井為工程背景，對採動影響下巷道圍巖大變形機理進行研究。
羅超文、李海波、劉亞群等學者釆用水壓制裂地應力測試方法，對某礦地應力特點進行分析研究，研究表明：巖體地應力側壓係數受圍巖巖性影響較大，是影響圍巖塑性破壞的重要因素。
李樹清、王衛軍等學者釆用數值模擬方法對深部巷道圍巖的應力分佈規律及圍巖塑性破壞特徵進行分析研究，研究表明：巷道圍巖向內部發展會間隙性產生強度弱化區域，針對這一現象提出，高應力條件下的圍巖存在峰後軟化。
李寶富，齊利偉等學者建立了巷道底板岩層屈曲破斷力學模型，對煤層巷道底板岩層動態破壞機理進行研究。研究發現水平應力是影響巷遣底板岩層穩定性的關鍵因素，並提出了巷道底板水平應力計算方法。
趙志強，劉泉生等學者在考慮巷道圍巖性質、構造應力以及地下水等因素影響下，對軟巖巷道圍巖變形破壞機理進行研究，並提出相應的高應力軟巖巷道支護方法。
ers和ck等國外學者研究發現巷道圍巖記憶體在大量節理裂隙，巷道在開挖掘進過程中，會引起此類圍巖軟弱結構的導通，進而使圍巖內部產生不連續面，而這些不連續面是導致巷道圍巖破裂的關鍵因素。
四、本文研究的主要內容
本課題以王莊礦+540水平井下大斷面支架換裝硐室為工程背景，考慮硐室斷面尺寸、圍巖特徵、構造應力及鄰近硐室開採擾動等影響因素，綜合應用現場實測、理論分析和數值計算等方法，對大斷面硐室圍巖變形規律、應力分佈特徵和破壞特徵進行系統的分析研究，在此基礎上提出大斷面硐室圍巖變形控制技術。具體研究內容如下：
(1)採用理論分析的方法，對硐室圍巖塑性變形的尺寸效應進行研究，確定了硐室圍巖塑性變形破壞與硐室斷面尺寸的關係，分析了影響硐室圍巖變形的關鍵因素。為研宄大斷面硐室的變形破壞特徵規律提供了理論依據。
(2)建立FLAC3D數值模型，分析硐室斷面尺寸、圍巖性質、水平應力、鄰近硐室佈置距離等因素對大斷面硐室圍巖變形，應力和塑性區分佈特徵的影響規律，揭示大斷面硐室圍巖變形機理。
(3)結合大斷面硐室圍巖的變形特徵，進行大斷面硐室圍巖變形控制研究。對大斷面巷硐開挖常用的三種方法(雙側壁導坑法、中隔壁法、正臺階法)進行數值模擬分析，確定合理大斷面硐室開挖方法;針對大斷面硐室所處的特定地層條件，通過多種圍巖控制方案對比分析，提出“加長銷杆、錨索+注漿錯索+底板長錯索”聯合支護技術。