三软煤层巷道围岩变形机理及支护优化技术研究

为了解决15101工作面三软煤层巷道围岩变形破坏的问题,在确定巷道顶底板环境的基础上,对三软煤层巷道围岩侧向支承应力分布及变形机理进行了分析。研究表明:三软煤层巷道侧向应力呈现出应力峰值位置远离煤壁、应力最大值降低、侧向支承应力影响范围扩大等特点,巷道发生变形主要是由于力源集中区应力传递导致帮部剪切滑移破坏和底板挤压夹持破坏;建立了巷道围岩受力力学模型,理论分析了巷道围岩在横向变形和纵向变形的应力表达式,得出巷道变形受到巷道支护强度、底板支承能力、煤体应力传递衰减系数和底板剪切滑移等因素的影响。最后,提出了"控制顶板、加固两帮、强化底板和固定滑移"的巷道围岩控制原则,采取"长预应力锚索+帮部加密锚杆+底板注浆"的综合支护方式对巷道围岩进行了支护优化设计,确保了三软煤层巷道的安全稳定。     

基于煤巷两帮基础刚度效应的控帮护巷支护原理

煤层巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性强,两帮煤体大变形对巷道围岩整体稳定性有着极其重要的影响。基于煤巷两帮煤体严重变形的工程实际,考虑巷道两帮煤岩体的可变形性,建立了由Winkler可变形基础支承的顶板悬梁力学模型,分析并揭示了顶板的弯矩和挠度分布特征及规律,提出了基于煤巷基础刚度效应的"控帮护巷"支护原理:通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度,控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏,并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态,抑制顶底板变形破坏,提高围岩承载能力和稳定性。通过数值模拟分析与现场工程试验,对基础刚度效应和"控帮护巷"原理进行了分析和验证。研究表明:在两帮垂直集中应力作用下,巷帮煤体压缩变形明显,顶板岩层随基础变形而弯曲下沉,两帮基础刚度对顶板变形量影响显著,是顶板变形的关键影响因素;在顶板支护相同的条件下,加强两帮支护不仅使掘进和采动影响期间的两帮的塑性破坏范围和移近量显著缩小,还有效地控制了顶底板的变形破坏情况,是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。研究工作深化了煤巷围岩控制中对巷帮支护重要性的认识,揭示了控帮护巷的支护机理。     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

层状岩体圆形巷道破坏特征及锚固支护对比试验研究

为获得层状岩体圆形巷道变形破坏特征及锚固效果,采用CM60/10平面应变试验台配合三轴伺服试验机,通过相似材料模拟技术,对初始埋深400 m的层状岩体圆形巷道模型逐级施加载荷,对比分析了高垂直应力(λ1)条件下无支护及锚网索喷支护圆形巷道围岩变形破坏特征。试验结果表明:无支护状态下巷道两帮围岩出现明显的"楔形"破坏区域,以巷道腰线为中心,两帮浅部围岩亦出现相向垂向移动,顶板出现"月牙状"块状冒落,底板出现明显鼓胀,巷道围岩整体变形破坏严重;加载后期,无支护状态下巷道顶板下沉量、底板底鼓量明显增大,而锚固支护在相同地应力作用条件下,顶板下沉量、底板底鼓量基本呈线性增长且增长速率较慢,有效控制了巷道围岩的变形破坏。     

破碎围岩巷道变形特征及支护参数优化

巷道帮部破碎围岩在采动应力诱发下的动力灾害问题严重制约现场安全高效掘进。针对破碎围岩巷道帮部突然性断裂垮落致诱动力灾害问题,根据巷道地质条件和布局,考虑顶底板帮部裂隙分布规律和开采扰动影响,采用现场勘察、理论分析、数值计算和微震现场监测等手段和方法,综合分析破碎围岩巷道变形特征及支护参数优化设计。结果表明:受重力作用,岩层顶板在拉伸应力作用下拉伸应力区呈U形破坏分布,巷道经过支护后,顶板运移量大幅度减小,同时减缓覆岩整体性破坏程度;受巷道掘进扰动影响下顶板更易发生结构失稳,巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移,缓解岩体灾变概率,动力灾害得到有效控制,巷道实现安全掘进。     

富水煤层巷道顶板失稳机理与围岩控制技术

为了研究煤层巷道粉砂质泥岩直接顶受基本顶裂隙水侵蚀后,巷道掘进过程中易于发生冒顶事故的原因,通过现场调研、取样、实验室试验和理论分析相结合的综合研究手段揭示出富水煤层巷道顶板失稳的机理在于：巷道开挖后产生的顶板裂隙形成了直接顶与基本顶含水层之间连通的通道,使得微结构裂隙发育和含有较高的亲水性矿物粉砂质泥岩吸水,其吸水后产生了较高的膨胀应力,并在三向受力状态下发生崩解、破坏,锚杆承载基础弱化和较高的膨胀应力引起了煤层巷道顶板失稳。同时针对富水煤层巷道顶板失稳机理,提出了通过减少顶板水运动对围岩的破坏、优化巷道断面和高预应力来实现该类巷道顶板的稳定。工程实践表明,采用半圆拱巷道、合理布置疏水孔以及高预应力锚带网索组合支护体系可确保对该类巷道顶板的有效控制。     

不同水平应力作用下巷道围岩破坏特征的物理模拟试验

利用自行研制的YDM-E型采矿工程物理模型试验系统,通过相似材料模拟试验研究不同水平应力作用下锚杆支护巷道以及无支护条件下巷道围岩变形破坏特征.实验结果表明：随着水平应力的提高,巷道无支护情况下顶板呈现楔形冒落;锚杆支护巷道顶板呈现层状整体垮落,当水平应力加大到一定程度,锚固体全部垮落之后,锚固区外亦呈现楔形冒落;巷道底板出现剪切滑移破坏,破坏的外轮廓线呈反拱形;巷道两帮的破坏程度小于顶、底板的破坏程度.因此,高水平应力作用巷道围岩控制的重点在于控制巷道顶、底板.     

大倾角软岩回采巷道围岩失稳特征及支护分析

通过对大倾角煤层软岩回采巷道失稳特征的理论分析,建立了大倾角煤层软岩回采巷道围岩失稳状态方程,结合耦合支护思路分析,提出了大倾角煤层软岩回采巷道耦合支护方案,并运用数值计算、相似模拟实验及现场支护试验监测对回采巷道耦合支护方案进行综合分析。结果表明:回采巷道顶板失稳呈弧形非对称破断,两帮失稳主要表现为三角形破断体剪切滑移,破坏严重处位于帮角上部,顶板偏中上部破断是围岩失稳诱发点,围岩稳定性与煤层倾角、剪切面长度及煤岩体物理力学参数有关。巷道支护后,沿煤层倾向围岩塑性破坏区较小,顶板离层量保持在合理范围内,提高两帮支护强度利于巷道围岩稳定。     

高垂直应力状态下巷道围岩分区破坏特征试验研究

通过自行研制的CM60/10平面应变试验台配合三轴伺服试验机,发挥伺服稳压性能,采用相似材料模拟配合数值模拟验证的手段,分析了高地应力λ<1状态下无支护巷道围岩破坏过程及特征。试验结果表明:1)破坏首先发育在巷道两帮中线,局部破坏产生后,逐渐形成一对"楔形"破坏区域。在应力卸压区内,围岩呈分区破裂形式。深部滑移线由"楔形"破坏区域尖端点处开始延伸,基本符合对数螺线形式;2)巷道破坏过程中,依次出现"楔形破裂带","二次破裂带""贯通失稳带"3个过程分区。研究指出此类地应力下不同变形时期内,除控制顶底板初始变形外,围岩裂隙控制的重点应依次在巷道两帮、肩部和底角、顶板;3)通过对λ<1状态下围岩破坏的数值模拟发现:两帮围岩垂直应力呈"波浪状"分布,塑性破坏区呈"分区演化",垂直位移呈"锯齿状"分布,与物理试验基本吻合。     

基于“弹性孔理论”的巷道围岩结构失稳研究

开挖扰动作用下巷道围岩失稳与卸荷易诱发掘进工作面岩体大范围垮落,甚至导致围岩动力灾害,严重制约现场安全高效掘进。针对巷道围岩结构失稳问题,基于"弹性孔理论",系统总结了开挖扰动诱发片帮的4种类型,分析顶板结构、巷道围岩失稳机制;采用ABAQUS有限元数值计算软件分析巷道围岩结构失稳机理和灾变特征,巷道经过支护后,顶板运移量大幅度减小,同时减缓覆岩整体性破坏程度。结果表明,受巷道掘进扰动影响,顶板更易发生结构失稳,巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移,缓解岩体灾变概率,动力灾害得到有效控制,巷道实现安全掘进。     

斜顶软煤回采巷道围岩再造承载层控制机理研究

基于对倾斜煤层回采巷道断面形状、布置方式及失稳机制分析,进行了斜顶巷道基本支护力学计算,建立了斜顶巷道围岩再造承载层力学模型,确定了斜顶巷道再造承载层围岩稳定性影响因素,提出了斜顶巷道围岩再造承载层控制原则与控制技术,最后进行了数值模拟与现场试验。结果表明:倾斜煤层沿顶回采巷道顶煤体积减小,岩层顶板裸露,表层压力减小,但拱脚局部压力增大与松软煤体承载力降低易导致围岩失稳;斜顶巷道失稳分为两帮挤压流动失稳和顶板压缩错动失稳2种形式,两帮再造承载层位置越高、深度越长及顶板倾角越大,巷道围岩越稳定;斜顶巷道围岩再造承载层控制原则为基本支护控制浅部围岩、特殊锚杆锚固软弱煤体与再造承载层体强化的三体协同,采用设计三体协同支护方案后,顶板及两帮变形量受控,支护效果显著。     

极软煤层动压巷道围岩大变形特征及全锚索支护技术研究

极软煤层回采巷道巷帮变形破坏严重,传统锚网索支护无法有效控制巷道稳定,常常出现前掘后修的问题.以郭二庄矿22311工作面回风巷煤帮强烈变形问题为背景,分析极软煤体物理力学特征及破碎机理,研究巷道煤帮强烈大变形规律,提出巷道短锚索支护+长锚索补强的全锚索加固技术.结果表明:煤体表观上结构致密,实则其内部孔隙由大量的黏土矿物填充,致使煤体极易发生崩解破坏,煤体原始强度及开采扰动后残余强度均较低;煤样在外载荷作用下内部会形成竖向贯通性X型裂隙,巷帮煤体在该裂隙扩展中形成由外向内的渐进性滑移破坏线,导致巷帮部分锚杆失效、锚索破断;巷道全锚索支护较原锚杆支护围岩支护强度提高了1.67倍,煤体承载能力得到了加强,锚固结构控制围岩范围增大了近1倍,抑制了围岩滑移破坏.现场试验表明:巷道围岩变形满足正常使用要求,锚索受力在合理载荷范围内.全锚索支护技术是极软弱煤岩体巷道支护的重要方法之一.     

基于FLAC3D的深部巷道支护围岩稳定性研究

为了验证某煤矿巷道支护设计是否满足矿井支护要求,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了巷道周围煤岩体应力分布、巷道周围煤岩体塑性区分布、巷道周围围岩体变形规律以及巷道支护中锚杆、锚索轴向力分布。研究得出:巷道顶底板围岩变形为31 mm,巷道两帮变形量为22 mm,巷道右侧锚杆受力明显大于巷道左侧锚杆受力,巷道围岩出现失稳破坏。因此,在进行最终巷道设计时,应增加锚杆、锚索的抗拉强度及减少锚杆、锚索的间排距,从而达到巷道围岩的稳定性,保证矿井安全生产。     

深部倾斜煤层沿空巷道锚注支护应用研究

针对平煤十矿深部倾斜煤层沿空巷道围岩难支护的问题,根据岩层地质赋存特征,建立离散元计算模型。通过分析可知,巷道侧向应力集中,窄煤柱强度发生较大损失,巷道至窄煤柱之间围岩受力不均匀,容易发生侧向滑移,诱发煤柱与顶底板岩层剪切损伤破坏;窄煤柱和巷道周围垂直压应力增速较快,破坏巷道围岩的自承能力。构建了以"中空注浆锚索+高强注浆锚杆"为核心的围岩控制优化方案。工程实践表明:最终巷道顶板下沉量为122.2 mm,两帮移近量为156.6 mm,对围岩控制效果较好。     

基于弹性孔理论巷道围岩结构失稳数值计算

针对巷道围岩结构失稳问题,基于弹性孔理论系统总结了开挖扰动诱发片帮的4种类型,分析顶板结构、巷道围岩失稳机制;采用FLAC3D有限元数值计算软件分析巷道围岩结构失稳机理和灾变特征,巷道经过支护后顶板运移量大幅度减小,同时减缓覆岩整体性破坏程度。结果表明,受巷道掘进扰动影响下顶板更易发生结构失稳,巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移,缓解岩体灾变概率,动力灾害得到有效控制,巷道实现安全掘进。     

软弱煤层注浆加固的实验室研究

软弱煤层不但顶底板岩层赋存条件差难以支护，而且煤层软弱，抗压强度小，裂隙发育整体性差，受顶底板来压影响易发生大变形甚至流变，最终导致巷道失稳变形破坏。参照破碎带和流沙层注浆加固的技术提出在煤体注浆加固巷道的方案，并在实验室进行实验。     

残煤复采区域破碎软岩巷道变形机理及控制

为了探讨残煤复采区域松软破碎巷道合理的控制方法,以山西梅园许村煤业2#煤层集中轨道巷为研究对象,采用现场调查、数值模拟和理论分析方法,提出了"散体-块体"结构模型,探讨了残煤复采条件下巷道变形机理、围岩控制原则及支护参数,通过理论计算及工业试验对该支护进行了评价。研究结果表明:初次回采后再生顶板可近似为"散体-块体"结构模型;顶板块体易发生剪切滑移和脱落,表现为巷道顶底板易成为破坏失稳的关键部位,使两帮承受更大载荷而发生片帮破坏;巷道支护破坏的根本原因是支护体和围岩的强度和刚度不耦合。现场工业试验表明,在支护完成60d之后,巷道围岩的变形趋于稳定,两帮移近量最大为220mm,顶底板移进量最大为540mm。该支护方式有效地解决了残煤复采后松软破碎围岩巷道的支护问题。     

断层附近回采巷道顶板岩层运动特征研究

为解决断层影响区域回采巷道的支护问题，必须了解回采巷道顶板岩层运动变形特征．通过相似材料模拟试验，建立平面应力模型，分析研究断层下盘煤层开采后，在其上盘煤层中开掘巷道，巷道顶板的位移和巷道变形特征．结果表明：在断层影响区域，在水平方向上，回采巷道顶板岩层出现与断层倾向基本一致的垂直裂缝，顶板表现出不连续性．在垂直方向上，顶板离层出现不均匀沉降，顶板岩层特别是顶板下位岩层向断层方向倾斜．巷道围岩破坏不具有对称性，紧靠断层顶底板破坏严重．在回采巷道支护方式选择上，应用U型钢支护效果优于锚杆支护．     

强动压高水平应力巷道围岩控制技术

为了解决强动压高水平应力巷道支护难题,根据地应力测试、顶板取心探测、岩体原位强度测试并结合FLAC~(3D)数值模拟,研究了巷道在强动压高水平应力作用下的破坏机理,进而应用高预应力强力支护技术进行巷道支护,并进行现场试验和矿压监测。结果表明:强动压高水平应力导致巷道两帮由浅到深逐渐剪切破坏,其承载能力减弱导致顶板失稳;强动压高水平应力加剧顶板剪切错动,造成顶板锚固结构失稳,致使顶板松散破碎;提出"固帮控顶"的围岩控制思路,即采用高强度预应力"锚+梁+网"联合支护方案加固两帮和顶板,与原支护相比,表面位移明显减小,围岩控制取得良好效果。     

深部倾斜煤层沿空掘巷围岩变形特征与控制技术研究

通过对深部倾斜煤层沿空掘巷掘、采两阶段围岩应力场与位移场的分析,揭示了该类巷道围岩非对称大变形特征：窄煤柱帮与底板变形量远大于实煤体帮及顶板,巷道整体断面收敛率大。产生该变形破坏特征的原因：1)巷道埋深大,围岩处于较高的应力环境中;2)护巷煤柱宽度及支护阻力过小,使其过早进入残余承载阶段;3)无支护底板作为变形破坏能量主要释放通道,加剧了巷道顶帮围岩整体下沉。通过对不同宽度护巷煤柱方案的数值模拟,合理确定了试验巷道护巷煤柱宽度及试验巷道支护技术与参数。工程实践表明,采用新支护技术后,巷道窄煤柱与底板非对称变形大变形得到了有效控制,保持了巷道长期稳定。