深部高应力大断面煤巷围岩控制技术研究

某矿1305工作面埋深超过850 m,工作面上、下平巷支护困难,在综合分析深部高应力、大断面、软弱厚顶煤复杂巷道围岩条件下地应力场分布规律基础上,通过FLAC3D数值模拟研究了高应力大断面厚顶煤巷道围岩变形破坏机理,提出了高预紧力支护、斜拉锚索顶板控制、两帮加强控制等围岩稳定性原理,为该条件下煤巷支护提供了理论依据。     

深部软岩巷道围岩变形破坏的相似模拟试验

为模拟深部强度低,变形大的软岩巷道,运用地质力学模拟原理和以往相似模拟材料特点,针对曲江矿-850 m东大巷巷道围岩表现出来的两帮和顶底板实测不对称大变形特征,研制一种水泥为胶结材料,土和河砂为骨料的深部软岩相似材料.采用该相似材料进行大型深部软岩巷道模拟试验.结果表明:模拟的深部软岩巷道在开挖后因原岩应力解除具有一定的变形,而模型巷道底鼓和顶板下沉现象除受预加高应力和连续载荷影响外,巷道的左右边墙破坏对巷道顶底板结构稳定性也有影响;且巷道四周围岩变形破坏呈现非对称性特征.此研究成果可为进一步分析巷道围岩损伤及破裂演化规律奠定基础,也可为巷道支护设计,围岩控制等工程实践提供依据.     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。     

大断面软弱破碎围岩煤巷演化规律与控制技术

随着矿井开采深度与巷道断面尺寸的增加,煤巷围岩松软、破碎程度越来越严重,煤巷顶板冒落的危险性增大,大断面煤巷支护与维护难度随之增加。基于煤巷围岩松动圈测试与分析,揭示了大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征;采用FLAC3D模拟研究了不同巷道布置方式、顶煤厚度、巷道高宽比及侧压系数等条件下大断面软弱破碎围岩煤巷开挖后围岩变形特征、塑性区演化规律及应力分布特征,为煤巷优化布置、合理支护方案与参数的选取提供了理论依据;针对大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征与支护难点,提出了全断面锚网索喷初次支护、高预应力锚索与锚注二次加固组成的"三锚"联合支护技术方案,采用数值模拟分析与相似材料模型试验,验证了该方案的合理性与围岩控制效果,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"三锚"联合支护技术,有效地控制了大断面软弱破碎围岩煤巷的大变形与底臌,维持了煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。     

基于数字散斑技术的深部巷道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

借助数字散斑观测技术,采用相似材料模拟方法通过对深部岩巷开挖过程中围岩应力演化特征、变形破坏规律的分析,揭示了深部岩巷围岩稳定性控制机理。分析不同支护作用下开挖速度影响的围岩变形破坏规律,寻求岩爆发生与深部岩巷变形破坏的内在联系。分析实验结果得如下规律：开挖速度加快后,围岩变形塑性区逐渐扩大,深部岩巷岩爆倾向和围岩破坏程度逐渐增大;弱锚网支护对围岩变形有一定的控制作用,强锚网对围岩支护作用明显,支护强度提高,深部岩巷抵抗塑性变形的能力增强,整体变形减小、围岩稳定性提高。     

深埋高应力软岩巷道变形的相似材料模拟研究

根据相似理论及巷道围岩所处的地质条件,建立深埋高应力软岩巷道的相似材料模型,对深埋高应力软岩巷道的变形规律及破坏特点进行了相似材料模拟试验研究,并测量顶底板变形量和两帮相对变形量以及深部围岩的变形量。得出了深埋高应力条件下巷道围岩的变形规律,并在试验的基础上对围岩的变形原因进行了探讨。     

深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验研究进展与展望

深部硬岩巷道及隧道围岩开挖后易诱发大致平行开挖面的板裂或层裂破坏现象,严重影响深部工程的稳定和安全。板裂现象的形成不仅与开挖前深部围岩岩性、所处应力环境有关,还与巷道开挖过程中围岩所经历的应力路径密切相关。室内试验是研究深部围岩板裂破坏的一种重要方法,而比照深部硬岩巷道开挖的应力条件和应力路径开展室内试验研究是获得板裂破坏特征和科学揭示板裂破坏形成机制的关键。根据室内试验研究所选的试样类型出发,从实心长方体试样板裂试验、含预制孔洞试样板裂试验以及“先加载后孔内卸荷”板裂试验三方面,重点介绍了板裂破坏室内试验设备发展情况和取得的研究进展,总结了板裂破坏室内试验研究中主要存在的问题和难题,提出了板裂破坏室内试验研究的未来发展趋势和方向：(1)研发与岩石性质相似的3D打印材料,构筑深部岩体大尺度巷道开挖模型试验试样;(2)研制能真实模拟巷道围岩应力条件和应力路径的大尺度、高吨位的真三轴试验系统,实现三维应力环境中巷道开挖过程模拟;(3)开发能显示围岩实时变形、裂隙和应力状态的监测技术和软件。在此基础上,开展室内巷道板裂破坏试验模拟,并结合数值模拟试验结果,总结板裂破坏特征和演化规律,获得板裂...     

锚杆支护煤巷稳定性模拟分析

通过相似模拟试验、位移反分析与边界数值计算, 对锚杆支护全煤巷道进行稳定性分析。首先模拟了巷道开挖以后围岩变形, 利用位移反分析法确定初始应力与围岩变形模量及泊松比等参数, 根据边界单元法数值分析结果确定围岩松动圈范围, 然后对全锚支护煤巷围岩稳定性进行分析。     

复合顶板大断面煤巷围岩稳定性试验研究

为探讨复合顶板大断面煤巷围岩渐进性破坏机理,以晋城煤业集团赵庄煤矿为工程背景,采用石膏单元板等相似材料,进行了煤巷开挖掘进、锚杆与锚索一体化支护相似模型试验研究。研究结果表明：分级加载条件下,以泥岩和砂质泥岩为主的复合顶板大断面巷道围岩底臌严重,围岩两帮移近量相对较小,顶板整体下沉较大;围岩底臌属挤压隆起型,两帮属脆性压裂破坏,顶板破坏呈现出离层破坏特征;顶、底角处的围岩受到水平应力为主的双向应力,其破坏均为剪切型挤压破坏。     

非构造应力下圆形巷道的内部变形破裂规律研究

为获得高应力作用下岩体内部的变形破裂时空演化规律,以平煤集团的一条深埋巷道为背景,分别采用透明岩体相似材料和三维离散颗粒流软件PFC3D对其开挖过程进行物理模拟和数值模拟,并在获得岩体内部变形破裂随开挖时间的发展演化规律的基础上,提出深埋圆形巷道的支护对策。研究结果表明：1)本文提出的透明岩体实验方法能够有效获得深部岩体的内部变形破裂时空演化规律。2)巷道顶底板处的岩体径向位移y均与其距巷道表面的距离x呈指数衰减关系;围岩变形在巷道刚开挖通过的1~2h内增长速度最快,当开挖通过2h后,如不进行后续推进开挖,围岩变形发展就基本保持稳定。3)巷道开挖后,巷道顶底板处的岩体均不发生破裂,而巷道两帮岩体则在拱腰处先出现剪切滑移破裂并随时间逐渐往深部和顶底板方向扩展。     

窄煤柱综放煤巷钢梁桁架非对称支护机理及应用

针对王家岭煤矿窄煤柱综放煤巷围岩控制难题,分析指出相邻大型综放工作面覆岩剧烈活动及其基本顶对巷道区域直接顶的倾斜挤压力是导致顶板产生水平移动和非对称破坏的本质原因。建立考虑基本顶对直接顶倾斜挤压应力的窄煤柱综放煤巷直接顶力学模型,得出巷道顶板最大变形区域(7.5≤x≤9.5 m)。研发了以钢梁-槽钢组合结构和多根锚固至顶板纵深处锚索为关键部件的多锚索钢梁桁架系统,阐明其控制原理。建立多锚索钢梁桁架非对称支护的力学模型,得出非对称弯矩减小量分布特征,探讨其与非对称变形的一致性,并结合现场实践确定控制方案。现场实践表明,20103运输巷采用钢梁桁架非对称支护技术后,围岩变形量均控制在安全范围内,实现了对窄煤柱综放煤巷围岩非对称变形破坏的有效控制。     

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。     

深部高应力巷道围岩控制技术研究

深部巷道具有变形量大且持续时间长,四周来压,易受扰动和整体收敛的特点。该文分析了千米深唐口煤矿高应力南部轨道大巷的变形破坏特点及规律,提出了千米深井高应力巷道围岩控制技术。现场应用结果表明,采用左旋高强螺纹钢锚杆全长锚固配合锚网索喷永久支护的支护方式可有效控制围岩变形,实现巷道稳定。     

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。     

软煤层综放沿空巷道支护技术研究及其应用

根据松软厚煤层沿空巷道围岩变形破坏特点，对顶煤中似连续体和不同承载情况下支架的稳定性分别进行理论分析，并运用数值方法对不同支护技术条件下围岩应力分布和变形破坏情况进行模拟，优化支护参数，提出合理支护措施——U型钢支架顶部锚注充技术。现场工业性试验表明，该支护技术满足工程要求，具有良好的经济和社会效益。     

新郑煤电公司三软煤层巷道支护技术研究

新郑煤电公司12202工作面煤层松软且厚度较大,原有支护方式难以保证巷道的稳定性.通过有限差分软件FLAC3D建立三维数值模型,对12202工作面三软煤层巷道围岩变形规律及应力分布进行数值模拟研究,并对现场实测数据进行了分析.研究结果表明,应用微拱工字钢支护方式,巷道顶底板移近量较小,支护巷道深部围岩的受力分布比较均匀,位移较小.     

深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用

针对深部软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快、持续变形时间长以及支护系统损毁等矿压显现特点,分析了复杂应力场和高渗透压作用下的变形破坏机制,并结合深部巷道的"应力恢复、围岩增强、固结修复和主动卸压"控制原则,提出了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术,并阐明其成拱及强化支护的机理。结合现场地质生产条件采用理论计算、数值模拟和工程类比法综合确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。现场实践表明,采用锚喷注强化承压拱支护技术后,巷道围岩总体变形量较小,围岩收敛率从扩刷修复前的2.6 mm/d降至0.56 mm/d,且支护系统亦无开裂损毁现象发生,实现了对深井软岩巷道的有效控制。     

深部巷道等强支护控制理论

本文调查了大量的煤矿巷道现场破坏案例,提炼了6类15种典型破坏模式,分析了圆形与矩形巷道的围岩受力特征及应力分布规律。基于巷道围岩梯度破坏机理及矩形巷道等强梁支护模型,提出了深部巷道等强支护控制理论力学概念模型,即根据巷道围岩受力特征,采用开槽卸压、注浆加固、锚杆(索)主动支护、钢管混凝土被动支护等综合手段,有效调整巷道围岩的应力状态,以期实现不同位置围岩能够达到安全且与地应力比相匹配的等效应力状态,获得应力分布趋于均匀、塑性区范围相似的理想状态。给出了不同埋深、不同断面形状巷道所需的等强支护强度计算公式,数值模拟了圆形与矩形巷道在等强支护前、后围岩应力变化,验证了等强支护后围岩应力场能明显改善。等强支护控制模型一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导。     

深井厚复合顶采空区上方煤巷支护技术及应用

分析了深井厚复合顶板采空区上方煤层巷道的支护难点和特点,提出了围岩强化控制技术和此类巷道的锚杆支护方案,介绍了应用于淮南某矿深井厚复合顶板采空区上方煤巷锚杆支护的成功经验。实践证明,高预应力高强锚杆组合的围岩强化控制技术是控制深井厚复合顶板采空区上方煤巷围岩变形的有效方法。