软弱夹层对锚杆支护巷道顶板离层失稳规律的研究

顶板软弱夹层对锚杆支护巷道的危害十分严重，由此带来的支护难题和安全问题在煤矿普遍存在。项目针对煤矿巷道特殊的软弱夹层顶板条件，利用实验室典型岩样组分测定、岩体结构的细观分析、相似材料物理模拟和FLAC3D数值计算等方法研究软弱夹层的自身特性，如岩性组成、厚度、层位及周边应力环境扰动等因素对锚杆支护巷道顶板离层失稳的影响程度，重点研究动载条件下软弱夹层层位与遇水条件下极易泥化软弱夹层顶板巷道离层失稳特征，揭示软弱夹层导致锚杆支护巷道顶板离层甚至失稳垮冒的规律，结合典型软弱夹层顶板条件下精细的现场钻孔窥视与详细矿压观测，建立软弱夹层顶板的岩体结构力学模型，通过理论分析得到有效控制软弱夹层顶板巷道的机理和手段，提高该类巷道的安全可靠性与支护效果，为同类巷道条件支护提供理论和技术指导。

煤矿巷道顶板软弱夹层赋存广泛，主要由厚度不超过300 mm的薄层泥岩、煤线、裂隙带或节理等岩体构成，其对锚杆支护巷道顶板的危害十分严重，由此产生的支护难题和安全问题在煤矿普遍存在。. 通过项目研究，建立了顶板含软弱夹层巷道围岩结构的力学模型，揭示了典型软弱夹层顶板结构在多重因素影响下的离层失稳规律，形成了针对软弱夹层巷道顶板结构安全可靠的控制机理与对策，为煤矿巷道的安全掘进提供了理论和技术指导。. 通过开展实验室软弱夹层物理化学及力学特性实验，研究确定了其自身物理性质、组分、力学特征。结合现场细观岩体结构探测，全面掌握了软弱夹层顶板巷道微观结构和宏观结构特征，并对软弱夹层巷道不同围岩结构力学模型进行分析计算，阐明了软弱夹层基本物理力学性质特别是层位对巷道稳定性影响的基本规律。开展了软弱夹层顶板条件下煤岩层间受力与变形理论研究，提出了对应的本构方程。. 利用数值计算方法分析了不同断面形状、应力条件下巷道顶板失稳破坏特征。建立软弱夹层巷道围岩结构力学模型，结合实验室大尺度三轴相似材料物理模拟试验，研究了软弱夹层不同厚度及其位于顶板不同层位时锚杆支护巷道顶板离层失稳机理，主要包括软弱夹层位于锚杆锚固区内(煤矿常用锚杆长度)、锚杆锚固区边缘和锚杆锚固区外三种不同位置时顶板离层甚至失稳的试验研究，重点揭示了动载作用下顶板离层失稳垮冒规律。通过实验室泥化岩体力学性能测试，分析了极易泥化软弱夹层的泥化过程和特征，借助数值计算揭示了软弱夹层巷道遇水泥化及其它多重因素对锚杆支护类巷道锚固失效与顶板离层失稳垮冒的规律。. 确定了10个影响软弱夹层顶板巷道安全性的因素，提出了软弱夹层顶板巷道安全因子AQ的概念与一种新的含软弱夹层顶板巷道安全评价可拓模型，该模型可对实际生产矿井软弱夹层顶板巷道安全状况进行5级评价，从而为控制对策提供理论依据。编制了软弱夹层顶板巷道安全状况的VB程序判定软件。.提出了包括锚杆支护承载性能强化、巷道破裂围岩体强度强化和围岩承载结构强化的“三位一体”组合强化控制原理与对策，在淮北矿区芦岭煤矿II84回风上山工程实践中取得成功。. 项目研究期间，课题组成员获有关奖励8项，出版专著1部，发表学术论文20篇(EI检索12篇，ISTP检索1篇，录用2篇，其他5篇)，授权专利8项，毕业博士2名、硕士8名，参加学术会议13次。