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.     

煤巷顶板厚层跨界锚固原理与应用研究

深部采动巷道围岩控制是未来锚杆支护重点攻关方向。以葫芦素煤矿3个时期的煤巷为工程背景,通过钻孔窥视分析顶板渐进破坏特征,指出组合支护协同控制不足和施工效率不高的难题。为此提出单一化厚层支护系统,采用离散元数值模拟研究不同长度锚杆支护下巷道位移和围岩裂隙的演化规律,阐明锚杆长度与围岩损伤之间的关联机制;揭示锚杆端头损伤区随锚杆长度增加发生上移并渐进弱化的厚层跨界锚固原理,研发利用长锚杆在顶板及时构建水平和垂向上均能实现应力连续传递的厚层锚固系统和跨界长锚固技术。研究成果在葫芦素煤矿21205工作面开展工业性试验,新技术显著提高煤巷掘进速度,将顶板裂隙发育深度降低至锚固区浅部0.61 m以内,有效遏制了长期存在的大范围"V"型片帮问题,控制了深部复合顶板煤巷围岩大变形。     

三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践

煤巷锚杆支护技术在顶板较完整的简单条件下应用很成功,普通锚索的作用主要表现为将下部锚杆支护形成的锚固承载结构整体悬吊于深部围岩中,起强化支护作用,对于顶板中存在稳定岩层的煤巷,它的作用非常明显;但当巷道顶部岩层为厚及特厚松软煤层时,还未见成熟的锚杆锚索支护技术。本文首次将三维锚索应用于煤矿煤层巷道的支护中,并从力学的角度,重点论述了三维锚索的支护原理;再辅助于巷帮卸压技术,三维锚索支护技术能解决松软厚煤层、特厚煤层沿底施工一次采全厚巷道支护的难题。在实践应用中,这项技术产生了巨大的经济效益和社会效益,在类似巷道极具推广价值。     

煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策

在淮南矿区深部岩石巷道地应力场和支护研究的基础上,提出了煤矿深部岩巷围岩稳定受高地应力、高渗透压力和温度梯度影响的支护对策。试验和理论分析表明,采用与围岩内部潜在滑移面呈±22.5°布锚方法,运用具高初锚力的超高强锚杆支护,辅助以注浆固结、能量释放等措施可有效控制围岩稳定。     

复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究

 复合顶板极软煤层巷道是围岩变形剧烈且顶板易冒落极难维护的巷道。分析该类巷道围岩破坏特点, 提出运用注浆及锚杆支护控制巷道围岩稳定、加强顶板支护强度、充分利用围岩自身承载能力的支护原理, 研究了合理的注浆、锚杆支护技术, 包括高水速凝材料注浆加固两帮、顶板采用树脂全长锚固高强度锚杆和小孔径预应力锚索加强支护及两帮树脂加长锚固锚杆支护, 并介绍一个工程实例。     

深井三软煤巷锚杆支护技术研究

深井三软煤巷是地压大围岩变形剧烈的一类极难维护回采巷道。分析该类巷道围岩的层状赋存特点及软弱破碎条件,提出加固帮角控制围岩稳定、高阻让压支护限制围岩变形和强化顶板保证安全的支护原理,并研究了合理的锚杆支护技术和帮顶锚固方式,包括顶板全长树脂锚固锚带网支护与两帮角小孔径加长树脂锚固可拉伸锚杆支护技术。最后介绍一个工程实例     

对煤矿深部岩巷围岩稳定与支护几个关键问题的认识

在总结近几年国内外有关研究成果的基础上,结合在淮南矿区进行的深部岩巷围岩稳定控制与支护研究,认为煤矿深部岩巷围岩稳定受高地应力、高渗透压力和温度梯度控制,与围岩内部潜在滑移面呈±22.5°布置的高初锚力、超高强锚杆支护并辅助以注浆固结、能量释放等措施可有效控制围岩稳定.     

构造复杂区域巷道控顶卸压原理与支护技术实践

针对构造复杂区域内煤巷存在的高应力、围岩破碎和支护困难等问题，提出了控顶卸压原理及配套的三锚支护技术，即在巷道掘进过程中，首先以较小的断面进行超前掘进，并对顶板采用高强度锚杆进行及时支护，而对巷道两帮煤体不支护，允许两帮煤体产生一定的变形和破坏，形成松动圈，从而使围岩中的高应力得到释放；当两帮煤体出现片帮后再进行刷帮和锚杆支护，并对顶角补充锚杆进行支护；然后再采用预应力锚索对顶板进行加强支护，且对巷道底角采用内注浆锚杆进行锚注加固。这样形成了一套完善的控顶卸压原理和三锚支护技术。该原理和技术得以应用于肥城矿区陶阳煤矿构造复杂区域煤巷的支护实践，经回采实践和矿压观测表明，取得了较好的技术与经济效果，为构造复杂区域煤巷的支护提供了一条有效途径。     

深井复合顶板煤巷变形机理及控制对策

针对深部高应力条件下复合型顶板煤巷的大变形问题,以江西曲江煤矿为例进行了现场调查、理论分析和工业试验等研究。首先,经现场调查发现该矿表现出了典型“三高”矿井的特点,加上顶板锚索和两帮锚杆无法充分发挥作用,使整个巷道支护系统失去平衡而发生破坏。然后,研究了深部高应力工作面煤巷的力学作用,认为该力学作用是一个渐进过程,其变形动力主要来自于巷道顶板压力,底板变形大是直接导致整个巷道系统失效的重要标志;另外,根据深部高应力复合型顶板煤巷的受力特征,建议应将顶板的控制作为关键部位,尽力维护顶板的完整性,提高岩层自承能力,使支护结构与围岩能够协调地工作,并提出了以“预应力桁架锚索”为主体,以“锚杆+锚索+钢筋网等支护”为辅助的综合控制技术。实践证明：经以“预应力桁架锚索”为主体的综合控制技术支护后的巷道,其变形较原支护有明显好转;监测数据表明：经91 d后,巷道两帮的相对收敛速率小于1.7 mm/d,而且顶底板的相对收敛量大大减少,最大值为297 mm,变形速度小于1.4 mm/d,处于稳定状态。     

大厚度泥岩顶板煤巷破坏机制及控制对策研究

 针对煤巷上方大厚度泥岩顶板在开挖支护后所表现的破坏现象,通过现场观察、室内试验、数值试验、相似模拟试验及理论分析,对其变形破坏机制及控制对策进行系统研究,动态分析围岩的变形和破坏过程,研究不同支护情况下巷道变形规律、破坏机制、应力分布及不同支护手段的加固效果。得出如下结论：(1) 泥岩风化崩解、碎裂扩容与应力调整过程中的高应力拉伸与剪切共同促使泥岩顶板破裂、离层和破碎的发生;(2) 原支护缺乏对围岩性质的准确判断导致巷道破坏与支护失效;(3) 大厚度泥岩顶板煤巷支护的原则：及时封闭围岩、提高下位岩层刚度、布置斜向锚索;(4) 根据地质力学与环境条件,通过断面优化及支护参数优化能够有效避免大厚度泥岩顶板煤巷的多次翻修,实现一次支护的长期稳定。研究成果在棋盘井矿区获得全面应用,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。     

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。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术。介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响。指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩破坏有煤岩破坏、结构面破坏及围岩结构失稳破坏3种模式,软岩、强采动、大变形是我国煤矿巷道围岩控制的主要特点。论述5类巷道围岩控制方法与原理:控制围岩松动载荷、控制围岩变形、在围岩中形成承载结构、围岩改性及围岩卸压。阐述巷道围岩在掘进全过程的控制原理,重点介绍预应力锚杆支护理论及支护应力场的概念。将巷道围岩控制技术分为5类:表面支护、锚固、改性、卸压及联合控制技术,介绍金属支架、锚杆与锚索、注浆加固、水力压裂卸压及联合控制技术的发展历程和应用情况。最后,分析煤矿巷道围岩控制中存在的问题,并展望未来技术发展趋势。     

煤巷锚杆支护成套技术研究与实践

介绍煤巷锚杆支护技术的最新进展与研究成果。在支护理论方面,认为锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏,最大限度地保持围岩完整性,避免有害变形出现;围岩地质力学测试仪器包括小孔径水压致裂地应力测量装置、围岩强度原位测量装置及钻孔窥视仪的技术特征与使用方法;论述锚杆支护动态信息设计方法的特点与设计步骤,及面向现场工程技术人员使用的支护设计软件组成与功能;分析高强度锚杆支护材料的力学性能,包括锚杆、锚固剂、W型钢带和锚索;最后,介绍井下应用实例,通过监测数据,评价支护效果。实践证明,锚杆支护是目前最适合煤巷的高效、经济的支护方式。     

伪硬顶高地压水患巷道围岩综合控制技术及工程应用

不同顶板岩性组成对巷道围岩稳定性影响很大,特别是对遇水软化、风化程度高的伪硬顶板,必须区别对待。通过岩层粉末的X射线衍射试验测定了7244工作面伪硬顶板——砂岩物相组成,掌握了该顶板岩石遇水岩性衰减强度弱化、岩面风化损伤滑移断裂原因的微观组成结构,进一步分析了锚固体承载结构预应力损失锚固失效的内在机理,指出这类伪硬顶高地压水患巷道,最核心的问题是治水,解决了水患,伪硬顶就是真硬顶。在高强高预拉力锚杆支护技术体系的基础上,通过围岩内部适量注浆、表面喷混凝土封闭措施,减弱和消除地下水对煤岩体及锚固体的影响。针对该类巷道提出的“三区三顶三支护”围岩综合控制思想及技术,在现场初步得到了成功应用,为该类煤层巷道的锚杆支护技术提供了参考和借鉴。     

煤巷强帮支护理论与应用

 在分析煤巷帮部破坏机制和加固机制的基础上,通过建立煤巷力学模型、分析支护力与莫尔圆的关系、研究帮部极限平衡区宽度及巷道耗能机制,提出强帮护顶概念设计,从理论方面对煤巷强帮支护理论进行论证。应用FLAC3D软件对煤巷进行模拟,详细分析巷道开挖引起的围岩力学响应情况,阐明帮锚杆对帮部强度的影响,从数值模拟角度对煤巷强帮支护理论进行论证。最后,煤巷强帮支护理论被成功应用于马兰、官地等矿山煤巷支护设计,在实践中取得良好效果。研究结果表明：(1) 提高煤巷帮部支护强度,一方面可提高帮部对顶板的承载力,另一方面会减小帮部极限平衡区宽度和顶板广义跨度。(2) 提高煤巷帮部结构体与顶板结构体的强度比值和刚度比值,有利于减少帮部结构体塑性铰的数量,使巷道结构体形成合理耗能机制,提高整体稳定性。(3) 针对帮部比顶板岩体强度低的巷道,采用强帮护顶概念设计形成强帮护顶良性作用机制与合理耗能机制,以保证巷道的安全性。(4) 增加煤巷帮锚杆直径、长度或增大帮锚杆布置密度,可达到有效控制围岩变形、减少极限平衡区的效果。(5) 数值模拟与现场应用均表明,提高煤巷帮部的强度可以提高巷道的整体稳定性,煤巷强帮支护理论在工程实践中具有良好的适用性。     

巨高巷道帮不稳定三角块滑移及控制

 为解决超高巷道围岩控制难题,选取五家沟煤矿5201主运巷超高段(断面尺寸：5.25 m×8 m)为研究对象,采用UDEC和平衡拱理论分析帮不稳定三角块的响应特征。结果表明：(1) 帮受力状态如单侧无侧限单轴压缩,其破坏形式以侧壁夹角为45°－?/2方向上的三角块剪切滑移为主;(2) 帮深部垂直应力与水平应力差逐渐升高,构成帮不稳定三角块滑移的主要力源;(3) 帮沉降和水平位移曲线存在明显拐点,且拐点随巷高增加逐渐向深部转移;(4) 不稳定三角块最大宽度和顶压随巷高增加而增加,稳定性逐渐降低。认为：(1) 高性能、高预紧力锚杆可更好提高围岩力学性质,减小三角块顶压,保持帮不稳定三角块的完整性,帮中下部锚杆穿过主剪切滑移面可抵抗帮不稳定三角块的剪切滑移;(2) 斜拉锚索梁结构可发挥锚索抗拉强度大的优势,锚固在冒落拱迹线外的肩角和底角稳定区内,增大帮不稳定三角块滑移面的摩擦力。基于此提出高强高预紧力锚带网和帮斜拉锚索梁联合控制技术,掘出后顶底板相对最大移近速度4.1 mm/d,两帮相对最大移近速度4 mm/d,顶底板相对移近量104 mm,两帮相对移近量150 mm,顶板累计离层3.5 mm,支护完成后10 d实现自稳,帮不稳定三角块完整性好且无明显滑移迹象。     

深部厚顶煤巷道让压型锚索箱梁支护系统现场试验对比研究

针对巨野矿区深部高地应力厚顶煤巷道支护特点,以“先抗后让再抗”支护理念为指导,研制高强让压型锚索箱梁(PRABB)支护系统。该系统具有预紧力损失小、定量让压、支护力传递效果好、护表面积大等特点。分别以箱型支护梁和矿用12#工字钢为托梁设计了横梁、纵向单梁和纵向双梁共6种支护系统。以赵楼煤矿深部厚顶煤巷道为工程背景,利用数值试验对其支护效果进行初步分析,并在3302工作面顺槽进行6种支护系统的现场试验对比研究。现场试验结果表明：(1) 相对于原支护方案,6种锚索梁支护系统均能有效控制巷道围岩变形;(2) PRABB支护系统试验段巷道支护效果整体优于工字钢锚索梁方案,前者围岩变形量比后者小15%～25%;(3) 纵向单梁支护系统对巷道围岩的控制效果最好,纵向双梁支护系统次之,横梁支护系统相对较差。根据试验结果对钢梁不同布置方式的围岩控制机制进行分析表明：纵向单梁支护系统可有效控制厚顶煤巷道顶板关键部位的变形,调动围岩自承能力,使巷道变形得到较好控制。在深部厚顶煤巷道支护时,采用PRABB支护系统纵向单梁方案,可达到经济有效控制巷道围岩变形的目的。     

深部煤巷底臌控制机制及应用研究

 以徐州矿区发生非线性大变形破坏现象的深部煤巷围岩结构体为研究对象,从围岩3个部位相互作用的角度提出有效控制底臌的新方法。通过对围岩物理力学性能的测试、理论分析、数值模拟、现场试验的研究,得出采用锚网索耦合支护技术控制底臌的力学作用机制：利用关键部位施加锚索,减小顶板松动岩体通过两帮传递到底板上的压力,有效减小底臌量;利用锚网注浆增加两帮岩体强度及减小收缩量,限制两帮对底板两侧形成的固定约束向深处转移,以减小发生底臌的底板宽度;对底角施加刚性锚杆及注浆,分解来自两帮的挤压应力,提高底角抵抗剪切滑移破坏的强度,控制底臌。在该原理下提出控制设计,运用到夹河煤矿－850 m水平煤巷,监测结果表明：基于技术原理下的支护设计可以有效控制深部煤巷大变形和底臌的发生。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。     

加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究

巷道围岩是由顶板、底板、两帮组成的复合结构体,回采巷道两帮为软弱煤体,直接影响到底板的稳定性。通过数值计算,模拟了两帮煤体强度对底鼓的影响,煤体强度越大,底鼓量越小,反之,底鼓量越大。因此,提出了加固两帮控制深井巷道底鼓的构想,工程实践证明,加固两帮可在一定程度上控制深井回采巷道底鼓。