基于ABAQUS数值模拟的采区巷道断面形状优化研究

 选取矩形、梯形、直墙半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、直墙半圆加反拱形6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析,研究不同巷道断面形状开挖后位移分布,分析表明直墙半圆拱形巷道变形量最小,且加设反拱后对于减少底臌量效果明显。选取矩形和直墙半圆拱形断面作为代表断面,分析不同埋深H及侧压力系数λ对采区巷道变形特征、围岩应力影响。在此类围岩条件下,当采区巷道埋深小于400 m、侧压力系数小于1.6时,矩形巷道和直墙半圆拱形巷道围岩变形量差距较小,此时可以选择矩形巷道断面以满足经济性要求。     

松软破碎围岩回采巷道支护技术研究

针对松软破碎围岩回采巷道中存在的大变形及支护困难等问题,开展了理论分析和工程实践的研究工作。首先从理论上阐述了岩浆活动及水的长期作用是引起回采巷道围岩弱化的主要原因;其次提出了相应的支护对策,对于巷道围岩以顶板变形为主的区域,采用"锚网带+锚索梁+工字钢棚"的耦合支护方式;对于巷道围岩以顶板和右帮(岩浆岩冲断条带一侧)变形为主的区域,首先将断面优化为圆弧拱形,然后采用"锚网带+锚索梁+喷浆+中心点柱"的耦合支护方式。支护参数优化后的回采巷道矿压观测结果表明:矩形巷道区域顶板下沉量不超过237mm,巷道右帮横向变形量不超过161mm;圆弧拱形巷道区域顶板下沉量不超过172mm,巷道右帮横向变形量不超过163mm。     

大倾角工作面巷道断面形式优化数值模拟

针对大倾角工作面梯形巷道顶板破碎、较高侧煤帮变形破坏严重的现象,以陈蛮庄煤矿3402工作面轨道巷为工程背景,结合现场实际和UDEC2D数值模拟,对比分析了巷道矩形开挖和梯形开挖时围岩破坏特征,并根据矩形巷道顶板三角煤的破坏特征提出了五边形巷道断面形式。对3种断面形式下巷道横截面积、断面支护长度以及围岩稳定性进行了对比研究。研究表明:对于大倾角工作面,五边形巷道断面形式相比于矩形巷道有效提升了回采工程的活动空间,合理摒弃了位于顶板的不易支护的部分三角煤;相比于梯形巷道合理降低了巷道支护成本,提升了直接顶板的稳定性。因此,五边形工作面巷道更有利于大倾角工作面的安全高效生产。     

中兴矿层状顶板拱形巷道支护设计及应用效果浅析

中兴矿三采西翼回风巷为拱形断面,并且顶板为层状顶板,通过理论分析发现当拱肩处的支护强度不足时,会发生层状岩层破断垮落的现象,针对该巷道断面为拱形且顶板为软弱层状岩层的特点对其支护参数进行设计并应用。矿方应用所设计支护参数后,掘进初期拱肩处不再发生破断垮落现象,掘进后稳定期巷道的顶底板移近量控制在40mm,两帮移近量控制在20mm,整体围岩变形量小,支护参数设计合理。     

复杂采动条件下不同巷道断面形状围岩稳定性分析

依据济三煤矿实际的地质条件及地质资料,采用有限元数值模拟软件FLAC~(3D)模拟了183_下05工作面带式输送机顺槽是矩形断面与等腰梯形断面沿底板掘进,183_上07工作面后回采。得到了不同巷道断面掘进的巷道围岩应力应变情况,通过应力及应变数据得出:当183_下05工作面带式输送机顺槽掘进未支护时,巷道围岩垂直应力与水平应力规律基本一致,但是梯形巷道水平位移量要小于矩形巷道,梯形巷道垂直位移规律与矩形巷道相反,底鼓量大于顶板下沉量。     

综采工作面两巷巷道断面对支护效果影响的研究

针对新华一矿原先综采工作面两巷锚杆支护断面形式为矩形或梯形断面,顶板易产生离层,顶底板移近量较大状况,改后采用拱形断面的锚杆支护(顶部挑成拱形,围岩与锚杆、锚索一起形成组合拱),拱部的应力向两帮转移,同时两帮的应力对顶部有一个夹紧和拱托作用,加上围岩周边的锚杆锚索的加固作用,形成一个较稳定的组合拱,受力结构较为合理。实践证明,煤巷拱形断面锚网索支护形式具有很好的支护效果,可以有效降低劳动强度及支护成本,大大提高安全系数,为工作面快速推进创造良好条件,是一种理想的支护方式。     

多因素影响下深部回采巷道围岩变形规律与控制对策研究

针对高水平应力赋存下淮南矿区深部13-1煤回采巷道支护体失效普遍发生、部分巷道断面收缩率达58.1%等强烈矿压显现,采用现场实测、模型试验、数值模拟和理论分析等手段,研究了埋深、断面形状及尺寸、面长、采高、支护体长度对深部回采巷道围岩变形破坏的影响,提出了"开掘方位优化、强帮护顶、断面优化、分区控顶分级加强"等深部回采巷道围岩控制原则。真三轴模型试验结果表明:随着埋深、回采动压的增加,回采巷道围岩径向应变从"浅部拉、深部零应变"到"拉压交替分布"再到"非线性大应变";与小断面矩形相比,大断面巷道围岩移近量虽大0.45 m但收敛率降低了7.2%。采用数值模拟确定了13-1煤回采巷道围岩变形的影响因素顺序:埋深采高支护体长度面长;900 m埋深时,顶底、两帮移近量均近650 mm。提出了大断面预留大变形、直墙平顶拱形断面优化、加强巷帮支护、超前自移支架控制顶板、信号柱及时补强支护等控制对策。工程实践结果表明,综合技术较好地控制了深部回采巷道围岩变形,保障了巷道在服务期内的安全使用。     

层状岩体巷道断面形状优选及支护方式研究

在层状岩体中施工巷道工程时,岩层倾角很大程度上决定了巷道的变形破坏特征,选择合理的巷道断面形状和支护方式对于维护巷道稳定至关重要.采用数值模拟方法系统地研究了层状岩体巷道在不同岩层倾角下的破坏模式,并结合压力平衡拱理论确定了层状岩体巷道断面形状的优选原则,继而提出了相应的支护方式.研究结果表明,在岩层倾角由水平逐渐变为陡立的过程中,巷道顶板的破坏模式也由对称的拱形冒落演变为非对称的楔形冒落,甚至是整体滑移破坏;基于压力平衡拱下巷道的自稳特性,对于顶板发生拱形冒落及整体滑移破坏的层状岩体巷道,推荐采用直墙拱形断面,对于楔形冒落的层状岩体巷道,推荐采用五边形断面;根据兰氏锚杆经验准则确定的支护参数一般适用于顶板发生拱形或楔形冒落的层状岩体巷道,当其用于顶板发生整体滑移失稳的层状岩体巷道时,可能会导致支护参数不够稳健.     

圆弧拱形巷道断面积的计算方法

煤矿开拓与准备巷道采用砌(石旋)或U形钢支护时,断面形状有半圆拱形、三心拱形和圆弧(即切圆)拱形三种,巷道断面形状的选择除了以围岩应力分布状态和支架强度的计算作为主要依据外,对于可以采用圆弧拱形的巷道,还存在着如何有效地利用断面面积,以及在保证必需的面积时如何节省支护材料的问题,特别是对采用U形钢支护的巷道,由于钢材价格昂贵,节省支护材料用量的经济效果更为显著。为此,提出圆弧拱巷道断面的计算方法,供选择巷道断面和确定支架定型系列时参考。     

井巷中巷道的断面设计与支护

巷道断面的设计与支护是煤矿生产中很重要的一个环节,合理有效的巷道断面不仅要充分考虑围岩的力学特性,同时还应兼顾支护材料的力学性质。梯形、圆形、圆弧拱形、半圆拱形等巷道断面广泛应用于煤矿巷道断面设计中,工字钢、U型钢、锚杆、锚喷等支护方式在巷道支护中起了不可替代的作用,不同的巷道断面需要不同的支护方式,正确地科学地设计巷道断面和其支护方式对生产以及后续的维护工作有着重大的意义。     

基于断面形状效应的厚顶煤巷道支护参数优化

针对厚顶煤矩形断面巷道顶板两侧肩角锚杆易剪切破断、顶煤易离层破碎等支护难题,以唐家会矿61201综放工作面运输巷为工程背景,通过数值模拟对矩形和直墙平顶肩角微拱形厚顶煤巷道应力分布特征进行了对比分析。结果显示:直墙平顶肩角微拱形厚顶煤巷道顶板两侧肩角无应力集中、顶帮煤体松动范围相对于矩形厚顶煤巷道均有所减小,尤其顶煤松动范围减小明显,说明直墙平顶肩角微拱形断面有利于厚顶煤巷道围岩稳定性控制。在此基础上,提出了相应的巷道围岩控制对策,并进行了支护参数优化,经过现场应用,不仅顶板两侧肩角未发生锚杆剪断现象,而且掘进期间顶板下沉量达到15 mm时就趋于稳定,回采期间顶底板累计移近量仅220 mm,两帮移近量仅150 mm,支护效果显著。     

深部软弱破碎复合顶板煤巷稳定控制技术

针对深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷易冒顶、大变形、难支护等特点,基于锚杆和锚索支护理论,提出了兼具组合梁和组合拱承载效应的梁-拱锚固承载结构,分析了梁-拱锚固结构的几何特征,揭示了不同锚固参数条件下梁-拱锚固结构的形成过程及演化规律,反映了不同支护形式下煤巷顶板的锚固结构效应。采用FLAC~(3D)模拟研究了4种支护技术方案条件下深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩位移与塑性区损伤扩展演化规律,揭示了不同支护技术方案对矩形断面煤巷围岩的控制效果,验证了采用基于梁-拱锚固结构的深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷支护技术方案的合理性,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"梁-拱锚固结构"支护技术方案有效地控制了深部软弱破碎复合顶板煤巷离层与大变形,维持了深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。     

深井复杂条件下回采巷道高强度锚杆支护技术

针对长广七矿埋深近千米、地质条件极其复杂的回采巷道支护问题，在数值模拟研究巷道围岩变形机理的基础上，设计了斜顶鼓梯形巷道断面，确定了高强度锚杆支护参数。现场观测表明，锚杆支护使巷道围岩得到有效控制，巷道表面变形下降。     

不同布置形式下的巷道在支护前后的数值分析

利用数值模拟(ANSYS)对巷道进行分析。对位于底板的巷道和位于顶板的巷道采用半圆拱形支架,分析在矿山压力作用下,对巷道支护后的围岩应力和变形的变化特征,从中寻找巷道变形的规律,对巷道支护具有一定的指导意义。     

小曲率拱型支架支护系统理论与试验分析

针对煤层顺槽梯形支架存在的问题,提出一种新型结构的小曲率拱型支架。采用曲梁模型进行了支架系统的受力分析,得到其最大承载能力;通过与直梁支架承载能力相比较,得到了小曲率拱型支架承载能力系数与曲梁跨度和半径的影响关系。同时进行了地面试压和井下支护工程实验。结果证明:小曲率拱型支架力学性能远优于梯形支架,支撑能力大,自身稳定性良好,有效解决了近距离和下分层煤层巷道不可锚且在强压下难支护的问题。     

大倾角煤层工作面端头支护及超前支护技术

针对王洼煤矿E1108大倾角综采工作面煤层赋存条件复杂、顶板倾角变化大,工作面上下端头及两巷超前支护段顶板维护困难的实际情况,研究制定了工作面上下端头顶板支护技术措施,分别提出了回采巷道在顶板倾角小于5°、5～15°、大于15°不同阶段的超前支护技术方案。现场实践表明,当回采巷道顶板倾角大于15°时,采用挖底、接顶超前支护技术措施后,顶板下沉速度显著减小,运输巷超前支护段顶板最大下沉量为170 mm,回风巷超前支护段顶板最大下沉量为230 mm,既满足了巷道回采层位的要求,又保证了回采期间巷道超前支护段顶板的稳定性。     

朔里煤矿煤巷与半煤岩巷控界光面爆破技术

为提高掘进衔接效率,缓解采掘紧张,在煤巷掘进中采用控界光面爆破技术,可将一次爆破总的用药量比较均匀地分布在巷道四周,相邻的延迟起爆的炮眼爆炸后所形成的地震波能够相互干扰面使其强度减弱,可降低爆破震动对巷道围岩的影响.爆破后,两帮煤壁竖直,顶板完整,作业人员可直接进行顶、帮锚杆的操作,减少围岩的暴露时间,保证了顶板安全和煤壁的稳定平整.     

特厚煤层大断面切眼锚索支护的作用

以酸刺沟煤矿6-1号煤层为例,采用物理模拟试验和数值计算的方法对不同埋深条件下仅锚杆支护和锚杆-锚索支护大断面开切眼围岩破坏演化特征及锚固效果进行了研究.模拟结果表明：仅锚杆支护开切眼两顶角处产生44.5～49.0°的斜向破裂,顶板呈层状垮落下沉,顶板上方164 mm处形成拱顶;锚杆-锚索支护开切眼两顶角处产生73.0～82.5°的斜向破裂,顶板呈半椭球状垮落下沉,拱顶位于顶板上方280 mm处,拱内顶板仍保持良好的完整性;随着围岩应力的增大(埋深增加),锚索对围岩的控制效果越明显.     

厚复合层顶板沿空掘巷支护研究

以铜川矿区复合项板条件为例,基于沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理,结合覆岩破断的弧形三角块模型,根据理论分析初步确定了沿空掘巷小煤柱留宽方案;进而采用锚杆组合梁加固理论与锚索悬吊补强理论进行支护断面的初步设计。采用FLAC3D模拟软件对各方案分别进行了掘巷阶段与采动影响阶段的支护效果考察,最终确定小煤柱留宽5m,巷道支护采用左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆,排距800mm。沿空掘巷与采动影响阶段的支护效果表明,采用该支护方案巷道围岩应力分布合理,锚杆支护系统适应性良好。     

深部高应力双巷掘进巷道围岩稳定性及控制

内蒙古自治区葫芦素煤矿13号煤层埋藏较深,煤层处于高应力环境中,区段准备巷道采用双巷掘进的方式.针对辅助运输巷道围岩变形严重以及难以二次利用的问题,通过对巷间煤柱分别在不同阶段建立力学模型以及结合葫芦素煤矿的地质条件,对巷间煤柱留设宽度进行理论分析,最终确定该宽度应不小于35.57 m.结合获取到的覆岩物理力学参数,采...