深部巷道平顶稳定性分析及返修控制研究

针对圆弧平顶这类极少出现的特殊巷道断面力学特性不明,原支护方案及一般返修方案无法满足围岩稳定控制要求等问题,基于极限分析理论建立相应的巷道顶板力学模型,算例分析不同参数对顶板稳定性的影响规律;根据巷道不同地段现场变形破坏情况,针对性地提出"不同地段分区控制,关键部位加强支护,破碎围岩注浆加固,极端条件联合支护"的返修控制对策,设计相应的返修方案并进行现场应用.研究结果表明:采用注浆加固等措施提高岩体力学参数,改进主动支护构件强度或者采用高强高刚的被动支护构件提高支护阻力,均能有效提高巷道圆弧平顶的稳定性.基于现场巷道变形破坏情况,将返修地段划分为严重破坏区、一般破坏区、局部破坏区和潜在破坏区,对严重破坏区设计联合支护返修方案,巷道控制效果显著,最大变形量没有超过40 mm;其他返修区段采用注浆加固后,除个别地段变形稍大外,基本控制在50 mm以内,总体上满足使用要求.研究成果可为类似巷道支护设计及返修提供指导与参考.     

深部高应力软弱围岩支护方案评价及优化

针对深部高应力巷道围岩难支护问题,以江西曲江矿西大巷为例,采用数值分析对返修支护方案进行评价和优化.在原返修支护方案的基础之上,设计了"锚网+U29半圆钢架+围岩胶结注浆"联合支护为主的4种工况,并对它们进行了计算和分析.结果表明在进行"锚网+U29棚架+围岩胶结注浆"联合支护的同时布设底角锚杆可以减少顶板和两帮的移近量,而且还可以减少底板塑性破坏单元区域.最后,给出了巷道围岩的整体返修优化方案和具体支护参数.该研究对控制深部矿井巷道围岩的变形具有重要工程价值.     

深井软岩巷道围岩松动圈测试及支护技术

运用围岩松动圈支护理论,对某矿+588水平大巷新开挖的20 m软岩巷道进行了围岩松动圈测试,确定松动圈厚度在1.06~1.70 m之间,属于中松动圈一般不稳定围岩,原支护方案不能有效控制围岩稳定性,依据测试结果对原支护形式进行了优化,并通过现场工业试验对优化后的支护方案进行了验证。结果表明,该支护方案有效地控制了巷道围岩变形,确保巷道的长期稳定和安全使用。     

深井软岩巷道围岩变形特征及支护参数的确定

根据马路坪矿巷道围岩主要物理、力学性质的实验室测试以及现场围岩变形的监测结果,探讨了深部软岩巷道围岩变形破坏特征.借助FLAC^3D进行数值模拟计算,分析了巷道开挖后和原支护形式下围岩破碎区、塑性区范围和应力位移分布状况;并通过数值模拟优化了支护参数,确定了二次支护时间,提出了用短锚杆或铆钉取代管缝式锚杆挂网、采用底角锚杆对巷道底板进行加固的技术方案.工业试验结果表明,该方案对深部巷道围岩变形的控制效果良好.     

极不稳定煤层巷道围岩变形控制技术及其应用

针对郭家地煤矿极不稳定煤层巷道破坏严重的问题,分析了巷道围岩受力和变形特征,提出原支护失效的原因,即巷道煤层厚度变化较大、矿山压力显现规律不易确定、支护系统没有起到主动承载和控制围岩变形的作用、工程条件复杂和底板遇水容易膨胀.采用UDEC数值模拟软件对不同支护方案进行模拟分析,提出使用高强度锚杆支护方案进行巷道施工.现场监测结果表明,高强度锚杆支护能减小巷道围岩应力集中和围岩破碎区范围,提高围岩强度、初期支护刚度、支护阻力和承载结构稳定性,有效控制巷道围岩变形破坏.     

孤岛工作面下方大巷围岩支护技术优化

为了解决孤岛工作面下方大巷围岩支护困难问题,基于弹性力学理论对巷道围岩受力进行分析,探讨了巷道围岩塑性区的影响因素,并分析了巷道半径对巷道围岩塑性区的影响,结合计算机数值模拟,对巷道围岩塑性破坏特征与支护技术优化展开研究,分析得出巷道围岩塑性区剪切破坏呈现"X"型特征,基于此,对原有支护方案进行优化设计,沿巷道正中及顶底板左右四角各增打1根长8 m的锚索,综合数值模拟分析与工业性试验监测,结果表明:巷道围岩支护方案优化后可显著降低巷道围岩应力及控制塑性区发育,围岩变形量最大为0.3 m;验证了优化支护方案的可行性,保证了巷道围岩的稳定,改善了孤岛工作面作用下,原支护方案效果需要反复维修,大巷持续变形的现状。     

新东矿运输大巷破坏机理及支护设计分析

针对新东矿运输大巷围岩变形破坏较为严重的情况,经过现场勘查分析,认为影响运输大巷围岩稳定的主要因素为地应力较高、巷道支护方式、围岩性质较差。基于耦合支护原则,提出了恒阻大变形锚杆耦合支护方案,并根据返修巷道的现场勘测分析,该种返修方案有效的保证了运输大巷的稳定,为类似巷道的修复,提供了参考。     

返修大断面硐室加固及数值模拟研究

在分析硐室围岩岩性、软弱围岩流变、复杂应力环境及原支护结构失稳的基础上,结合软岩巷道围岩控制理论,提出了以全长锚固锚杆、锚索增强国岩整体性和自承载能力的主动支护,并以底板锚注加底拱返修加固.采用FLAC3D软件对原支护方案和返修加固方案进行了数值模拟,结果表明:修复加固后,最大主应力峰值外移,塑性区范围减小,围岩承载能力增强,两帮移近量41.4 mm,顶板移近量22.1 mm,底鼓量6.45 mm,支护受力合理.现场工业试验表明:经过50～90 d的矿压观测,硐室变形量小于20 mm,变形速率小于0.5 mm/d,修复加固取得了成功.     

北峙峪煤业大断面巷道分步开挖及围岩控制技术研究

针对北峙峪煤业15号煤层一采区胶带巷在原有掘进工艺及支护方式下围岩变形量大的问题,通过数值模拟分析巷道采用不同掘进工艺时围岩位移及塑性区的分布状态,确定巷道采用分步开挖进行掘进作业,将模拟结果与工作面具体地质条件相结合对支护方案进行了优化设计。监测结果表明:优化后的掘进工艺及支护方案实施后,顶板下沉量为17 mm,两帮移近量为37 mm,保障了巷道围岩的稳定。     

巷道围岩变形破坏特征及支护方案研究

为了确保巷道围岩的稳定性,理论分析了巷道围岩变形破坏特征,得出了开挖后巷道围岩变形速率分布及巷道塑性区和原岩应力的关联;数值模拟分析了不同支护条件下巷道垂直应力分布情况及不同滞后支护方案下巷道顶板垂直应力分布,得到了最优支护方案。最后进行现场实测分析,验证了该支护方案的可行性。     

煤矿采区泵房、变电所及水仓快速掘进技术研究与应用

主要对陈四楼煤矿北翼-640 m泵房、变电所及水仓岩巷掘进的地质条件进行了研究,分析制约岩巷快速的影响因素,提出了有针对性的施工工艺方案,并在实际生产中得到了应用。采用巷道工程设计优化、大断面分层施工及大坡度上山施工法、“先喷后锚”和“锚杆+锚索”梯次耦合支护工艺等,有效配合“耙装机+胶带输送机+采区矸石仓+串车”联合出矸方式,可实现安全高效快速掘进的目的。通过对北翼-640 m泵房、变电所及水仓快速掘进技术的实践应用,为相同地质条件下岩巷快速掘进提供了依据。     

湿度扩散对矩形煤巷围岩破坏的规律研究

围岩表面的相对湿度高于围岩内部的相对湿度,其湿度梯度可视为一种驱动力促使水份向低湿度区扩散,造成围岩力学性质弱化。地下洞室开挖过程中,围岩处于新的湿度环境中,力学性能会发生改变。采用数值计算软件RFPA湿度扩散版,对矩形煤巷围岩的湿度扩散进行了数值模拟。分析出湿度扩散对矩形煤巷围岩的应力场扰动状况和巷道内壁由于湿度扩散作用随时间的位移变化情况,模拟出不同岩层分布的巷道在湿度扩散中围岩破坏的形成、发展过程以及围岩破坏的形态。     

超大断面硐室围岩变形破坏机理及控制

针对断面面积近100 m2的大采高支架换装硐室,采用现场观测、数值模拟等方法分析其变形破坏机理:硐室断面增大致使围岩破碎区、塑性区增大,超大断面硐室塑性区半径达到普通断面硐室的2.2倍;断面增大引起掘进扰动应力增高,而锚杆加固厚度小、初期支护阻力小致使软弱围岩严重变形破坏。针对支架换装硐室0~2.5 m的破碎区、2.5~8.0 m的塑性区,提出了分区耦合支护围岩稳定控制原理:硐室围岩由浅至深破坏程度逐渐减小,达到稳定所需支护强度逐渐减小,采用高强高预紧力"锚杆、注浆锚索、锚索"支护及"分区注浆加固"技术,可形成针对破碎区、塑性区和弹性区的3个相互联系的承载圈,从而满足各个分区支护强度需要,实现支护结构和围岩共同承载,保证围岩稳定。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

新型高预应力锚索及锚注联合支护技术研究与应用

针对现有支护材料及工艺难以适用于深部软岩巷道大变形的支护难题,在理论分析、室内试验的基础上研发了新型高预应力锚索及其配套工艺,该新型锚索可施加初始预应力达70~100 k N,杆体延伸率10%~12%,可有效阻止开挖后围岩的快速变形,保持围岩的整体性和稳定性,并具有成本低、强度高、不易松动等优点;依据典型深部软岩巷道围岩变形特征及破坏机制,提出了以新型高预应力锚索和注浆锚杆为核心的联合控制技术,即支护初期采用以新型高预应力锚索为主,金属网、混凝土喷层为辅的柔性支护;后期进行全断面注浆,内外结合,从根本上提高支护强度。经现场试验证明,该技术能有效提高锚索受力状态,降低围岩变形速率,缩短围岩变形时间,围岩最终变形量只为原支护方案的30%左右,锚索平均受力提高了近4.7倍,取得了良好的支护效果,具有重要的推广应用价值。     

长距离泵送混凝土砌碹支护研究

某矿-400 m水平水仓位于地质构造复杂区域内且底板极具亲水膨胀性,在高构造应力、高地应力以及高膨胀应力的作用下,原有普通锚网索喷支护方案无法维持水仓围岩的基本稳定;根据现场地质条件及围岩破坏原因剖析,结合原支护方案的不足,决定对水仓围岩采用全断面钢筋混凝土砌碹支护方案。首次将长距离泵送混凝土技术引进到矿山砌碹支护中,弥补了普通人工砌碹的不足,取得了良好的技术效果与经济效益。研究结果表明：处于软弱膨胀岩层中的水仓,仅通过锚网索喷很难维持巷道的基本稳定;对松动围岩二次注浆加固后,可有效提高围岩的自身承载能力和支护结构的整体性;全断面钢筋混凝土砌碹支护结构,可有效控制巷道的严重底鼓变形。     

基于Weibull分布的巷道围岩开挖损伤分析

首先,在假定微元强度服从双参数Weibull分布的基础上,分析了围岩微元破坏概率和临界破坏概率,依据围岩完整程度不同,分析了巷道开挖后的围岩损伤;随后,运用岩石破裂过程分析软件RFPA,分别对不同均质度的巷道围岩开挖损伤进行了数值模拟分析。结果表明,伴随围岩均质度增加即围岩完整程度增加,围岩起始损伤延后,临界破坏概率越来越小;在围岩微元所受载荷达到其统计平均抗压强度前,围岩的均质度越低其巷道开挖后的围岩损伤值越大;在微元所受载荷达到统计平均抗压强度后,围岩均质度越高其巷道开挖后的围岩损伤值越大,其巷道开挖后的危险率越高,且往往具有突发性;巷道开挖后的围岩损伤破坏程度与围岩完整程度和抗压强度关系密切;分析结果与模拟结果是一致的。     

水胶炸药聚能光爆技术在岩巷施工中的研究与应用

鹤煤公司现光面爆破技术存在周边围岩超、欠挖仍较严重等问题，特别是在较软弱破碎岩石中，问题尤为突出，且存在着单位耗药量大、爆破震动和空气冲击波强度大、围岩超挖和损伤大等一系列问题。为了保证光爆效果，提高巷道施工单进水平，以鹤煤六矿31采区回风上山岩巷掘进工作面为工程背景，经过井下现场反复试验、摸索、修正、分析总结，对炮眼布置、炮眼角度以及装药结构、装药量进行重新设计及优化，采用水胶炸药聚能光爆技术。工程实践表明，水胶炸药聚能光爆技术提高了岩巷掘进速度，减弱了围岩震动速度，实现了“三提高，一保护”的作用。研究对类似的岩巷掘进工程具有借鉴意义。     

近断层巷道开挖稳定性分析与支护技术

为研究近断层巷道开挖稳定性及其合理的支护措施,以安里煤矿回风大巷为工程背景,采用FLAC3D对其开挖过程中FD49断层破碎带前后方围岩的应力场、变形场、渗流场以及塑性区进行了系统的分析,并在此基础上研究了锚杆排间距以及注浆加固范围对巷道围岩变形破坏特征的影响。结果表明:近断层巷道围岩越硬,其在靠近富水断层破碎带时的突水变形前兆特征就越不明显,因此,需在预留一定防突厚度的情况下对断层破碎带进行提前疏水降压处理;当巷道开挖揭露断层破碎带后,应对断层破碎带围岩进行注浆加固以及锚喷支护,其中,注浆加固范围宜取3~5 m,锚杆长度和间排距则可选2.4 m和0.8 m。     

新型地质力学模型实验系统的研制与应用

为进一步完善地下工程领域模型试验研究手段存在的不足,自主研发了一套新型地质力学模型实验系统,并以某矿煤巷掘进期间围岩变形演化特征研究为依托,通过试验结果与现场实测结果对比,验证了试验系统的可行性与可靠性。采用280个液压作动器实现了多方向主动稳定加载,能够还原地下工程围岩真实应力场分布特征;扩大了有效加载区域,较为显著地降低了尺寸效应与边界条件因素对试验结果精度的影响程度;首次综合采用了EDC伺服液压控制系统、光电编码器及数据实时传输系统,实现了数据实时采集,提高了数据采集准确度。试验结果表明:巷道开挖与支护过程中,模型巷道围岩变形规律与现场实测基本吻合,围岩变形主要特征基本一致,验证了该系统能够较好体现原型巷道围岩动态演化特征,具有一定工程应用价值,为地下工程围岩稳定性研究提供了良好途径。