复合顶板沿空掘巷围岩控制研究

为研究复合顶板沿空巷道围岩变形破坏机理及控制技术,基于该类巷道变形破坏特征的分析,得到巷道变形破坏的主要原因是没有考虑复合顶板沿空巷道围岩特性、支护强度低、变形不协调和没有发挥围岩的承载能力,揭示了复合顶板沿空巷道围岩变形破坏机理,研究了合理的围岩控制技术:1)优化临时支护工艺,减少复合顶板空顶时间,2)喷浆封闭围岩,防止复合顶板风化,3)高强度高预应力锚杆支护、底角锚杆、二次支护增加复合顶板层间结合力,提高两帮承载能力并控制底鼓,4)向采空区倾斜锚索增强基本顶关键块稳定性,保护内承载结构.工业性试验结果表明,围岩表面位移和复合顶板离层得到有效控制,基本顶很快稳定.     

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。     

沿空巷道小煤柱留设及其支护技术研究

针对东怀煤矿软弱顶底板条件下的煤柱回采问题,通过现场实测、实验室试验,结合理论分析和数值模拟,研究了软弱顶底板条件下沿空掘巷围岩控制机理并提出了相应的支护技术,指出软弱顶底板条件下强顶、固帮控制沿空掘巷"大结构"稳定,同时限制"小结构"的变形,使得大、小结构协同承载是该类巷道围岩控制的核心。具体提出了长锚索控制顶板,加长左旋螺纹钢锚杆强化实体煤帮和小煤柱围岩,底角倾斜锚杆预防底鼓的支护方案。现场试验和监测的结果表明,该项支护技术效果较好。     

复杂条件半煤岩巷道顶板控制技术研究

为解决极近距离煤层群回采巷道顶板及两帮破坏变形量大和顶板安全问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了高家庄矿中厚煤层工作面回采巷道围岩破坏特征,研究了顶板岩层破坏机制,并对顶板支护参数进行了优化。结果表明,软厚"夹层"的巷帮煤层、厚度范围变化大的基本顶岩层二者处于非平衡状态,使得锚杆(索)支护结构不能适应厚度变化较大的顶板岩层,是造成支护不协调的主要因素。为此采取了增加巷帮锚杆数量、随掘钻测基本顶厚度配合三种不等长锚索支护的支护优化方案。实践表明,巷道顶板岩层大变形破坏得到较好控制,巷帮弱"夹层"大变形降低,降低了巷道维护投入,达到了预期目标。     

淮南矿区深部煤巷变形破坏机制及支护技术

针对淮南矿区开采深度大、构造应力高、地质构造复杂、围岩松软等条件下的煤巷支护难题,系统研究了深部煤巷围岩变形破坏机制,提出帮部在垂直压剪和横向顶拉作用下产生"〈"或"ㄟ"形破坏;底板在两帮压膜效应和远场应力挤压下产生塑性流动,呈"凸"形破坏;顶板在垂直压应力下产生张拉导致顶板岩层破断或失锚,发生""形破坏。在此基础上提出"合理巷道设计源头让压、高预紧力改善应力状态、强化表面支护协调变形、围岩注浆提高承载能力、补强短板形成支护整体"煤巷支护方法、"地质-矿压"信息动态支护设计方法以及支护质量控制体系,形成深部煤巷成套支护技术。工程实践证明,该技术能有效控制深部煤巷的变形破坏,提高支护效能,有助于实现安全经济支护。     

深部“三软”煤巷围岩控制技术

为使裴沟煤业深部"三软"煤巷围岩变形得到控制,针对原支护设计下的围岩变形情况,36 U型钢棚支护阻力较低、巷道底板未采取控底措施等原因造成巷道围岩变形破坏。采用全封闭U型钢棚+底板锚索的支护方案,使巷道顶底板和两帮移近量在工作面回采期间基本控制在200 mm以下,帮底互控技术提高支护承载结构的稳定性和承载能力。     

复合顶板松软煤层巷道支护技术研究

复合顶板松软煤巷围岩变形速度快,巷道煤帮和肩角处围岩以及顶板煤线容易首先破坏,是支护中的薄弱部分。针对复合顶板松软煤巷围岩的变形破坏规律,提出了薄弱部分加强支护、提高巷道围岩的抗剪强度和承载能力,应用锚索补强支护并施加较高的预紧力,使复合顶板形成组合梁结构,控制顶板变形和锚杆锚固区外离层。     

寺家庄矿煤巷帮顶协同强力支护技术研究

针对以往煤巷围岩控制研究中帮顶协同支护的问题,选取寺家庄矿15117工作面回风巷作为工程背景,综合运用现场调研、围岩地质力学参数测试、理论分析与现场工程实践相结合的方法,研究煤巷协同强力支护技术。研究成果表明,巷道围岩是由顶板、两帮及底板共同构成的整体,两帮一旦发生变形破坏,巷道整体依然会失稳;开挖卸载使得巷道围岩发生变形破坏,协同强力支护技术能够一定程度上改善围岩受力状态,减轻其变形破坏程度。矿压监测数据表明,现场工程实践效果良好,煤巷帮顶协同强力支护技术具有一定的推广应用价值。     

大埋深采准巷道围岩拱梁支护结构研究

以桑树坪2号井煤矿3303工作面大埋深采准巷道为背景,采用"拱-梁"结构模型对该巷道进行支护优化,借助FLAC3D数值软件对原支护和改进支护的支护效果进行对比分析。结果表明:改进方案不仅能够提高浅部顶板的稳定性,而且还能有效控制巷道围岩变形。锚索压缩拱承载作用下,巷道围岩竖向应力呈拱状形态,帮部锚杆的存在可以缩小巷道两帮破坏范围,表明顶板的有效支护有利于提高巷道围岩的承载能力。顶板上方围岩所形成的"拱-梁"结构模型,对大埋深采准巷道的支护作用有明显改善。     

深部“三软”煤巷棚-索强化控制机理研究

针对郑州矿区深部"三软"煤巷变形严重,服务期间屡次扩修仍无法稳定的问题,分析了"三软"煤层赋存特点、深部应力环境及巷道失稳原因;提出棚-索强化控制理念,利用锚索提供的支护阻力提高支架的结构稳定性和承载能力,通过支架提供高支护阻力控制蠕变煤体剪胀变形和发挥深部稳定煤体的承载性能,实现支架-锚索-围岩协同承载;并根据力学计算结果指出支架结构的主、次关键强化部位及锚索预应力的合理确定。棚-索强化控制技术在超化煤矿31041运输巷进行应用后,工作面回采影响期间,巷道两帮和顶底板移近量分别控制在300 mm和400 mm以内,有效控制了深部"三软"煤巷围岩变形。     

沿空留巷耦合承载围岩动态迭加支护技术

结合沿空留巷充填体和围岩承载结构特点,针对留巷大变形问题,提出多区域强化的"强帮控顶阻底"动态迭加耦合支护技术,通过构建沿空留巷耦合承载系数模型和数值计算模型,分析了不同加固支护技术条件下围岩耦合承载规律,反演耦合控制作用,研究结果已成功应用于工程实践。数值模拟和工程实践表明:留巷耦合承载系数越小,围岩变形量越大、越不稳定;反之,围岩变形越小、越稳定、承载性能越强。通过对充填体、实煤体、充填区域顶板和底板分区域加固,减小了围岩变形,提高了充填体和围岩的耦合承载效果,围岩控制效果较好。     

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。     

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。     

软弱再生顶板巷道围岩失稳机理及其控制原理与技术

针对软弱再生顶板巷道围岩大变形问题,结合现场调研、室内试验、理论分析等手段研究了软弱再生顶板围岩失稳机理,并提出了针对该类围岩的控制原理、支护原则和支护技术。研究表明:软弱再生顶板具有自稳平衡拱结构,但极其不稳定。在扰动作用下快速松散、破碎,表现出局部到整体的连锁失稳特征。基于再生顶板围岩条件提出再生顶板"抛物线-半双曲线"扩展力学模型,即再生顶板平衡拱边界在纵向上以"抛物线"形式向上扩展,横向上以"半双曲线"形式延伸。巷道底臌使得两帮整体下沉或两帮肩角处破坏造成再生顶板自稳平衡拱结构不断地向围岩深部转移。根据该模型计算发现,此时棚架上的载荷增加更快。再生顶板松散范围的非线性增加使得棚架上的荷载急剧增加,围岩变形量增大,最终导致巷道整体失稳。因此,提出了"护底→固帮→控顶"的软弱再生顶板围岩控制基本原理。结合州景煤矿再生顶板巷道实际情况,通过疏干排水防止底臌、改善棚架结构加强帮、顶支撑,形成了"强化整体约束、优化棚架结构和架间协同控制"的支护原则,具体形成了"双层金属网+预支撑囧型棚架+可缩性纵向连接器"的组合支护技术,经工程试验表明该支护技术可有效控制软弱再生顶板巷道围岩初期的稳定,后期回采时建议采用"三支一体"支护体系进行加强支护,控制再生顶板围岩回采期间的稳定。     

软岩巷道底鼓机理及其控制技术研究

为控制21101工作面底鼓强烈,巷道变形量大的问题,根据巷道变形破坏特征对其破坏原因进行分析,利用数值模拟手段提出底反拱+强化锚索控底技术方案,并运用于工程实践,研究结果表明:21101工作面巷道底鼓类型为挤压流动型底鼓,采用帮底互控支护技术提高了支护—围岩承载结构的稳定性和承载能力,保证巷道的正常使用。     

帮底互控支护技术在煤巷底鼓控制中的应用

为控制金龙煤业21101工作面底鼓强烈,巷道变形量大的问题,根据巷道变形破坏特征对其破坏原因进行分析。利用数值模拟手段提出底反拱+强化锚索控底技术方案,并运用于工程实践。研究结果表明:21101工作面巷道底鼓类型为挤压流动型底鼓,采用帮底互控支护技术提高了支护—围岩承载结构的稳定性和承载能力,保证巷道的正常使用。     

深井软弱围岩巷道变形破坏机理及支护技术研究

为解决赵楼煤矿七采区辅助运输巷变形严重的难题,通过现场监测分析原支护方案条件下软弱围岩变形破坏机制,围岩易膨胀、软化,承载能力低,巷道所处应力场复杂,支护材料支护潜力无法有效发挥,巷道断面尺寸大是巷道变形破坏的主要原因。提出增加顶板护表面积、注浆加固、施加高预紧力、关键部位加强支护等具体措施,并实施了高强锚注支护试验方案。结果表明:高强注浆锚杆、锚索受力均呈现出"顶板右帮左帮"的趋势;顶板、底板、右帮和左帮变形量比原支护方案分别降低了79.7%、81.9%、80.0%和77.8%,说明高强锚注支护方案能够有效控制围岩变形。     

窄煤柱沿空掘巷围岩破坏特征及不对称支护控制技术

介绍了孙家沟矿605工作面回风平巷掘进过程中易出现冒顶、垮帮、支护体损毁等强矿压显现,采用现场调研、理论分析、数值模拟和井下试验等手段对变形破坏与控制对策进行了研究。结果说明了基本顶断裂位置在煤柱内6.5m处,基本顶中关键块B的回转下沉运动是巷道呈现顶板不对称变形和水平剪切错动及煤柱失稳破坏的根本原因。提出了非对称的"多锚索-槽钢-钢筋组合圈梁"支护方案,现场工程实践表明:该技术可有效减弱顶板应力和位移分布的非对称性,控制围岩非对称变形破坏。     

切顶自成巷约束混凝土支柱试验研究与应用

切顶自成巷技术通过顶板定向切缝与矿压做功,使采空区顶板垮落自动形成巷道(简称自成巷)。为保证切顶自成巷稳定,需要一种高强、高刚的支护结构控制顶板变形并抵抗采空区垮落岩体。轻型约束混凝土(简称CLC)结构是一种在约束材料中充填轻骨料混凝土的复合结构,具有高承载、高刚度、轻自重的特性。为明确CLC支护结构的承载性能,满足支顶护帮控制要求,开展不同截面形状、偏心距下CLC支护结构与常用型钢支护的室内和数值试验,分析各类试件的变形模式和承载性能,研究截面参数、偏心距对支柱承载性能的影响机制。结合上述试验结果,在特大型矿井柠条塔煤矿开展CLC支柱选型设计与现场应用,取得良好的自成巷围岩控制效果。     

软弱破碎顶板巷道围岩变形机理及控制技术

针对软弱破碎顶板巷道支护困难的问题,通过现场调查和钻孔探测发现软弱破碎顶板巷道围岩具有自稳平衡拱结构,但极不稳定,在扰动作用下表现为局部到整体的连锁失稳特征。现场取样进行试验,发现顶板破碎岩块强度低,帮部煤块裂隙发育、底板泥岩软弱是造成巷道全断面变形失稳的主要原因。原支护棚架架型不合理、接顶效果差、支护缺乏整体性以及支护系统不能协调变形是导致巷道失稳的直接原因。进一步试验表明,该巷道的软弱破碎岩样在侧限约束条件下压实后具有较高的承载能力,在无侧限约束条件下则难以自稳。掺入一定水泥进行胶结后形成的弱胶结岩体,其稳定性和承载能力有明显提高。结合普氏自然平衡拱理论和"类双曲线"模型,构建了软弱破碎顶板巷道围岩"抛物线-半双曲线"破碎边界扩张模型,发现软弱破碎顶板载荷呈指数形式增长,当帮部煤体不稳定时顶板载荷急剧增加,而底鼓是造成帮部失稳的重要因素。因此,提出了强力控制软弱破碎顶板,强化约束帮部煤体,加强隔水预防巷道底鼓的控制原理和"控顶先固帮,固帮先护底"的支护原则。针对州景煤矿5305工作面的实际情况提出了"双层金属网+喷射混凝土+预支撑囧形棚架+可缩性纵向连接器"的组合控制技术,经初步的现场工程实践,取得了较好的支护效果。