地应力对深部回采巷道布置方向的影响分析

为分析地应力对深部回采巷道布置方向的影响,在参考相关文献和实测淮南矿区7个深部矿井20组地应力的基础上,获得高水平构造应力赋存特征。针对某深部矿井首采面两回采巷道布置方位与最大水平应力一致时,断面收缩仍然严重,对比Tresca理论与Gale理论,确定前者更适合分析此类巷道变形破坏状态。按点的应力状态计算不同侧压下巷道最优布置方位与最大水平主应力夹角β,得到首采面两巷的β为45°。根据巷道帮、顶应力差值越大围岩稳定性越差,进一步探究了β从0°偏转为12°,其围岩变形的应力差影响程度降至91%。接替面工程实践表明:初期支护方案相同时巷道围岩变形略有改善,后期支护方案改为帮、顶角增加两根锚索外加信号柱及时补强后支护效果良好,研究结果为类似条件下巷道布置与围岩控制提供了一定参考。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

采用UDEC离散元程序,对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:侧向系数相同时,随巷道埋深逐渐增大,围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大,但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象,而巷道围岩变形量基本呈线性增长;当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大,需加强巷道顶板及底板的支护;当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大,需加强巷道两帮支护。     

大倾角煤层回采巷道非对称锚网索支护与实践

根据淮南矿区大倾角(25°～45°)煤层开采地质和技术条件,采用物理模拟综合分析了大倾角煤层回采巷道围岩结构特征及采用锚杆支护时的围岩变形、破坏、应力演化等力学特征,揭示了大倾角煤层回采巷道围岩力学特征非对称演化机理.研究表明,实体煤回采巷道应重点支护顶板和高帮,而留小煤柱回采巷道应重点支护顶板和低帮.基于巷道围岩力学特征的非对称性,提出并实施了大倾角煤层实体煤回采巷道和留小煤柱回采巷道的非对称锚网索支护方法.工程应用表明,非对称锚网索支护能适应大倾角煤层回采巷道围岩结构和力学特征,有效控制巷道围岩变形.     

不同水平应力下深部回采巷道围岩变形破坏特征

采用UDEC离散元程序,对不同水平应力埋深下的深部回采巷道围岩变形特征进行了分析。结果表明:侧向系数相同时,随巷道埋深逐渐增大,围岩塑性区范围及变形量都逐渐增大,但围岩塑性区在增长过程中存在突增现象,而巷道围岩变形量基本呈线性增长;当水平应力较大时,巷道围岩塑性区在垂直方向的发育范围较水平方向的范围大,需加强巷道顶板及底板的支护;当水平应力较小时,巷道围岩塑性区在水平方向的发育范围较垂直方向的范围大,需加强巷道两帮支护。     

巨厚煤层三软回采巷道恒阻让压互补支护研究

 针对沈阳清水煤矿第三系巨厚大地压软围岩煤层回采巷道开掘后支护失效严重、围岩大变形及4次返修无法稳定的现象,分析围岩塑性流变、非对称变形破坏、支护体与围岩大变形不协调等变形力学机制。提出采用恒阻大变形锚杆初次支护,在恒阻力作用下保护锚固体的承载力,通过恒阻锚杆的延伸多次释放变形能,将集中应力转移到深部,调动深部围岩承载能力,形成稳定的塑性承载圈;然后针对回采巷道变形特点采用顶板加强、两帮让压、底角加固的二次互补加强支护,形成适应三软巷道变形特征的围岩–支护协同承载体,将围岩变形速率控制在合理范围。基于该方法下提出的锚索+恒阻大变形锚杆+钢带+底角锚注联合支护设计,在该矿南二采区205工作面运输顺槽中使用后,顶板下沉降低75%,两帮收缩减小60%,底臌减小42%,巷道支护状况得到明显改善。实践证明,恒阻让压互补支护系统可有效控制三软巷道围岩稳定。     

岩性弱结构巷道围岩的塑性区与松动圈形态

根据煤系地层赋存的不均一性和巷道围岩变形破坏的不均衡性，提出了巷道围岩弱结构与弱结构体的概念：在数值模拟及现场实测的基础上，分析了不同类型、断面形状及围岩应力状态下的岩性弱结构巷道塑性区的分布特征，以及岩性弱结构巷道围岩松动圈的发育特征。研究结果为岩性弱结构巷道的非均称控制提供了依据。     

综放回采巷道围岩稳定性分类及其支护对策的研究

 博士学位论文摘要　以综放回采巷道为研究对象, 对其稳定性分类及其支护对策进行了深入细致的研究。在对综放回采巷道围岩稳定性影响因素分析的基础上, 确定了巷道埋深、围岩强度、顶高比作为分类指标, 并用判断矩阵分析法确定了分类指标的权值。综合应用模糊数学和人工神经网络的方法对综放回采巷道围岩稳定性进行了分类, 根据围岩的稳定性, 将36 条综放回采巷道分为3 个类别, 并确定了各个类别的聚类中心。提出了在综放回采巷道中提高锚固力的7 项技术措施, 研究了在综放回采巷道中发挥锚杆支护作用的关键技术, 即预应力锚杆技术、组合锚杆技术。应用神经网络技术实现了综放回采巷道锚杆支护设计。以目前我国综放回采巷道支护技术为基础, 针对综放回采巷道不同的围岩类别, 提出了各类综放回采巷道的支护对策。     

大跨度动压损毁回采巷道修复与支护技术研究

 针对陕西彬长集团公司大佛寺煤矿大跨度动压损毁回采巷道支护难题,从工程地质条件、动压影响方面分析复杂围岩环境下回采巷道变形破坏特征,得出局部构造应力、底板遇水强度劣化、动压以及爆炸冲击的综合作用是回采巷道出现大跨度、底臌、顶板下沉以及最终导致支护失效的主要原因。以40106工作面运输巷为工程实例,基于一体化控制思路,确定锚网索、强力单体点柱、角锚杆综合互补控制的修复方案并将其应用于工程实践。现场观测结果表明,通过减小巷道跨度、增强顶板、两帮支护强度可以有效控制大跨度动压软底回采巷道顶板下沉和底臌。     

回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术

 以晋城矿区回采工作面多巷布置留巷为工程背景,基于大量实测数据,分析留巷围岩变形与破坏的特征及机制。采用数值模拟软件FLAC3D研究巷道布置方式、煤柱尺寸、回采工作面宽度等参数对留巷围岩变形与破坏的影响,分析留巷及采煤工作面周围的应力分布。在此基础上,提出适合留巷特点的巷道支护形式与参数。在井下进行支护试验,监测留巷从掘进到报废全过程的围岩位移与支护体受力,评价支护效果。研究结果表明：留巷在受到本工作面超前支承压力作用后,围岩位移虽有增加,但变化不大;在本工作面后方一定距离围岩位移急剧增加,并在50～200 m范围内位移速度达到最大值,之后逐步趋于稳定;当留巷受到下一个工作面超前支承压力作用后,围岩位移再次显著增加。留巷围岩变形与巷道布置方式、煤柱尺寸及回采工作面参数密切相关。高预应力强力锚杆与锚索支护、全锚索支护是比较适合留巷的支护方式,能够大幅度减少围岩位移,保持巷道长期稳定。最后分析存在的问题,并提出改进意见。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究

 基于切顶短臂梁理论,分析无煤柱切顶自成巷技术原理,结合柠条塔矿施工经验,总结出“支、切、护、封”四步成巷工艺。通过建立联孔聚能爆破力学模型,分析无煤柱自成巷聚能爆破机制,得出联孔爆破损伤贯通判据条件,并结合试验巷道围岩特性,进行聚能切缝关键参数设计。综合运用理论分析、数值模拟及现场实测,对无煤柱自成巷切缝前后工作面和巷道矿压分布规律和演变机制进行系统研究。结果表明,由于切缝结构面切断巷道顶板与工作面顶板岩体间的应力传递路径,改变顶板岩层结构形态,工作面和巷道矿压分布发生明显变化。切缝对工作面矿压影响有一定范围,切缝影响区内周期来压强度有所减小,周期来压步距有所增大。切缝引起的充填结构的支撑作用是造成工作面顶板压力减小的直接原因,来压控制关键层上的有效荷载减小是导致来压步距增大的根本原因。受切缝影响,碎石帮顶板岩体将经历“垮落→压实→稳定”的演变过程,充分利用采空区碎胀矸石的自承载特性和巷道围岩的协同支撑作用,可有效减小支护强度,增强巷道稳定性。     

深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析

随着大量煤矿矿井开采深度的增加，在高围压的作用下，巷道围岩普遍出现破裂，而且围岩破裂范围在扩大的同时，往往出现继续破坏的现象。针对长的圆形巷道，将巷道围岩分成破裂区、塑性区和弹性区，采用Mohr-Coulomb准则，进行非关联弹塑性分析，获得其应力和变形的封闭解析解。通过利用在弹塑交界处应力连续的条件以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件，获得确定围岩破裂区和塑性区半径的解析式。最后，给出一个算例，分析其破裂区和塑性区应力、应变的分布特点以及破裂区范围的影响。利用所获得的结果，可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据。     

基于综合赋权聚类分析的岩石爆破性分区评价

 论述岩体可爆性分级与岩石爆破性分区的区别与联系,根据矿山爆破生产需要系统分析影响岩石爆破效果的因素,对15种矿岩物理力学特性参数、节理几何参数测试与计算的结果进行线性相关性分析。分析结果表明,可以采用抗拉强度、抗压强度、密度及平均节理间距4个指标对岩石爆破性分区进行评价,建立基于加权聚类分析方法的岩石爆破性分区评价体系,同时采用综合赋权方法解决了客观赋权与主观赋权方法在权重确定问题上的缺陷。该爆破性分区已在包钢白云鄂博西矿应用,生产实践表明,分区方法科学、合理、实用。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

层状碎裂围岩特大断面换装硐室施工性态及稳定性分析

随着煤炭资源的大规模开发,大型设备进入煤矿井下,修筑特大断面硐室已必不可少,随之而来的深部层状碎裂煤岩体所具有的特殊工程地质问题更加突出。棋盘井煤矿井底特大断面换装硐室(跨度9.9 m、高9.45 m)处于硐室密集区的层状碎裂围岩中,可供类比工程很少,施工难度很大。针对其围岩特点,采用三维小模型分析施工顺序、高边墙破坏规律和支护单元的功效,用三维大模型真实再现施工过程,反映围岩空间动态变化情况;优选出最优施工方案及块段施工合理错距;理论分析得出高边墙围岩潜在破坏机制不尽相同,水平应力释放是高边墙产生片帮、剥落的主要原因,并提出承载墙的概念。研究成果可为日后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

STUDY OF DOUBLE-CABLE-TRUSS CONTROLLING SYSTEM FOR LARGE SECTION COAL ROADWAY OF DEEP MINE AND ITS PRACTICE

 针对深井大断面煤巷围岩支护过程中出现的顶帮大变形控制难题,综合现场调研、数值模拟、理论分析、井下试验及现场实测,分析围岩变形破坏特征,提出高应力大断面巷道围岩控制系统--双锚索桁架,并对其组成结构、控制机制、支护优越性、应力场分布特征、关键支护参数等进行系统化研究,得出：(1) 深井大断面煤巷围岩变形特征为：移近量大、敏感系数高、变形具有持续性及破坏针对性强;(2) 新型双锚索桁架控制系统在巷道围岩中形成厚承载层和梯次锚固体结构,提高锚固岩层抗拉(剪)强度,保障巷道围岩和支护结构的稳定性;(3) 模拟得出双锚索桁架在岩层中形成垂直顶板(帮)均匀预应力带,预应力分散度低,影响范围集中于锚索锚固点区域3～5 m处;(4) 详细介绍井下运用双锚索桁架控制系统的一典型深井大断面煤巷成功实例。研究成果在邢东矿区获得全面应用,对类似条件工程的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

破碎千枚岩隧道施工工法比选试验研究

 为探明破碎千枚岩隧道在不同工法下的变形及支护力学响应特征,寻求一套适宜该种地层的合理工法体系,以该地层的隧道开挖为依托,采取现场试验与数值模拟相结合的方法,研究隧道在7种不同工法下的洞周变形、锚杆轴力、围岩–初期支护和初期支护–二衬接触压力、拱架及二衬内力变化规律。研究表明：工法S1,S2因较易引发洞室大变形等病害而不适合隧道开挖;工法S3能满足开挖条件但需增强支护参数体系;工法S4～S7均能有效抑制变形、保障隧道稳定,其中,工法S5,S6以支护承受较大荷载为代价,且施工难度大、工期长、造价高,工法S7对围岩扰动次数最多且初期支护不能及时封闭成环,工法S4既可抑制围岩变形,减小作用至衬砌的形变压力,又可提供稳定的支护力,在特殊地层时该法能迅速转变成工法S6,S7,缩短工法转换时间,有利于破碎千枚岩等软岩隧道的长期稳定。     

超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术

为解决超千米深井巷道支护难题,以新汶矿区深井巷道为工程背景,分析深部矿井地应力、围岩强度与结构等地质力学参数分布特征,超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况。采用UDEC数值模拟软件,研究不同支护方式与参数下超千米深井岩巷围岩变形、破坏特征与支护作用。基于实测与数值模拟研究结果,确定新汶华丰矿-1180回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。详细介绍-1180回风大巷支护井下试验,包括支护参数设计、支护材料、底板注浆锚索施工工艺及矿压监测结果。通过分析围岩位移、顶板离层及锚杆、锚索受力监测数据,评价回风大巷支护效果。井下试验表明:高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术,能够有效控制超千米深井岩巷大变形,保持围岩长期稳定。最后,针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。