基于摆型波理论的防冲支护设计

 针对当前煤矿支护方面不能有效解决冲击地压防御这一工程难题,分析并指出煤矿支护形式、支护方法上存在的根本问题。基于深部非连续自平衡应力岩体介质的等级块系构造理论,建立一维非连续自应力块系上覆岩体与支护互馈作用的理论模型,研究在冲击扰动下岩体中摆型波传播时支护性质对支护端岩块动力响应影响上覆岩块动态响应受不同性质支护作用的影响。分析得到：对于刚性支护当支护为刚性时,支护端岩块动力响应的加速度幅值随支护刚度的增大而降低;当刚性支护中具有柔性阻尼耗能机制时,岩块动力响应时间会随阻尼系数的增加而缩短。由此推论：在煤矿支护中,利用刚性支护与柔性阻尼耗能机制相结合的方式可以增强围岩稳定性、增加支护–围岩系统抵抗冲击的能力,以防止冲击地压的严重显现。由此提出刚柔耦合快速吸能让位防冲支护设计理念,并对基于该理念研制的新式巷道防冲吸能液压支架进行简要介绍,对其中核心吸能构件进行初步分析,为进一步研制系列防冲支护设备,形成新式防冲支护技术与方法,改善当前煤矿防冲支护设计,形成新式防冲支护技术与方法,奠定一定的理论基础。     

六边薄壁构件在准静态径向压缩下的吸能特性

为增强巷道超前液压支架抵抗冲击地压能力,有效支护巷道防煤矿冲击地压灾害发生,设计一种六边薄壁吸能防冲构件安装在支架顶梁上方来提高支架抵抗冲击能力。对构件的吸能防冲特性进行理论和实验研究,结果表明:六角处为圆弧形的吸能防冲构件压缩过程中具有非常稳定的变形破坏模式、恒定的反作用力和较高的冲程效率。材料参数和几何尺寸对载荷波动系数和冲程效率影响较小。构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随长度增加而增大;构件压溃峰值载荷和平均压溃载荷随内边长增加而减小,内边长对总吸能影响较小。构件吸能防冲特性的理论解与实验结果有较好的吻合,为构件选取提供了理论依据。六边薄壁吸能防冲构件也可作为高速公路防护栏或汽车防撞前梁等。     

埋深千米综放采场沿空巷道冲击地压防治研究

深井冲击倾向采场的沿空巷道是冲击地压易发难防治区域。针对华丰煤矿埋深千米强冲击缺少了上保护层的开采条件,研究其沿空巷道防冲机制,将下工作面回风巷置于已采上区段运输巷底板下方卸压区域,实现了埋深超千米无区段煤柱开采;通过建立端头覆岩结构模型计算胶结顶板巷道支护强度,采用广义库仑理论计算采空侧压力评估两帮支护匹配性,确定的支护设计确保覆岩、两帮稳定;通过支架承载变形特征阐述其对冲击载荷的有效防冲机制。采用微震、地音、应力在线预警系统和钻屑法监测,实现区域预警→点监测量化验证预警,评价沿空巷道无冲击危险,不需要采取以往繁琐且难以保证解危效果的爆破、大直径钻孔卸压等工艺,且支护效果良好。研究成果对深井防治沿空巷道冲击地压有借鉴价值。     

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。     

支护防冲能力计算及微震反求支护参数可行性分析

在分析冲击矿压发生和锚网索支护防冲机制的基础上,从支护构件柔性吸能和能量平衡的角度,对某工作面巷道支护的防冲能力进行计算。结合"SOS"微震监测系统长期监测获得的冲击和强矿震数据,考虑微震系统的定位误差,引入防冲支护设计可靠度参数P(x),将工作面现有支护条件在不同P(x)时的计算可抵御震源能量与冲击时实际的震源能量进行比较分析,探讨微震反求支护参数方法的可行性。结果表明:强矿震在一定条件下可以转化为冲击,锚网索支护的"柔性吸能功能"能够吸收传递到锚固围岩上的大部分或部分冲击能量,保持锚固围岩的整体性和稳定性,对巷道内部围岩起到有效的支撑,避免巷道围岩的进一步破坏失稳,是有效控制冲击矿压的重要因素。结合可靠度参数P(x)的理论计算结果与历次冲击和强矿震数据具有较好的可比性,历次冲击时支护的计算可抵御震源能量随着P(x)的减小均存在从小于到大于实际震源能量的转折点,而强矿震的计算结果也和实际情况相符,说明结合P(x)的微震反求方法具有较好的可行性。     

刚柔耦合吸能支护煤岩巷道冲击破坏相似试验与数值计算对比分析

冲击地压巷道支护问题一直是研究的热点。采用相似模拟试验和数值模拟的研究方法,对裸巷和刚柔吸能支护巷道的冲击破坏过程进行研究。试验和数值计算结果均表明,无支护巷道冲击变形破坏较严重,在巷道顶板和两帮壁面均出现裂缝扩展和贯通,甚至出现抛出物冲入巷道和塌落现象;刚柔吸能支护具有缓冲和吸收冲击能作用,表现为巷道顶板和两帮壁面发生向巷道内部变形,同时有局部壁面出现裂缝,但巷道整体性完好;裸巷和吸能支护巷道冲击破坏规律基本一致,吸能支护巷道冲击破坏程度弱,整体性好,刚柔耦合支护更有利于冲击地压巷道支护。     

网壳锚喷支护理论分析及其在兖州矿区的应用

跨采及软岩巷道地压强度高、变形强烈,支护较为困难。传统支护方式成本高、工艺复杂。根据地面大跨度板壳原理设计出网壳结构,该结构稳定性强,能承受较大变形地压及冲击荷载。钢筋网壳结构是巷道支护工程中一种新型的支护形式,既可在巷道内单独组装对围岩进行连续支撑,又可先撑后喷,在围岩表面形成半刚性钢筋混凝土薄壳衬砌结构。能承受强大变形地压及采动荷载,达到用较少材料又提高喷层支撑能力与让压的目标。介绍了钢筋网壳锚喷支护的技术特色与支护原理,并对其进行理论分析,推导出钢筋网壳锚喷结构的计算模型及其内力与主要应力的计算表达式。完成了室内整架载荷试验,成功应用于兖州矿区跨采巷道。     

刚–柔–刚支护防治冲击地压理论解析及实验研究

 冲击波在巷道围岩–多孔金属材料–钢支护构成的刚–柔–刚(R-F-R)支护结构的传递过程可简化为一维应力波在结构中传播问题,通过对R-F-R支护结构防治冲击地压理论分析,得到岩块冲击多孔金属材料–钢支护结构时多孔金属材料对冲击波压力的衰减情况以及多孔金属材料厚度、密度对冲击波压力衰减的影响。采用落锤冲击实验方法,对3种类型支护结构进行冲击实验研究,分析冲击波在R-F-R支护结构中的传播和衰减规律,实验结果表明,R-F-R支护结构具有良好的缓冲和吸能作用。理论计算与冲击实验结果对比可知,计算结果表明钢板冲击R-F-R支护结构时作用在钢支架表面的冲击波压力为钢板直接冲击钢支架时的30.7%,钢板冲击R-F-R支护结构时可吸收能量值约为总能量的94.8%;冲击实验结果表明,作用在R-F-R结构钢支架表面的冲击波压力为钢板直接冲击钢支架时的50%左右,钢板冲击R-F-R支护结构时吸收能量值约为总能量的70%以上。     

我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制

从机制研究、预警技术和防治方法 3个方面出发,概述我国冲击地压研究现状。从地质赋存条件与冲击地压相互作用机制、采动应力和能量场时空演化规律与致灾机制、覆岩空间结构与冲击突出触发机制等方面阐述近年来我国冲击地压机制研究的热点问题及相关成果;介绍冲击地压监测预警系统的主要技术体系,包括"震动场–应力动态"一体化监测预警系统、冲击危险预测与监测预警体系、ZOS矿用分布式微震监测系统、无线冲击地压实时监测预警系统和冲击地压电荷监测技术;探讨快速让位吸能防冲支护技术、新型恒阻大变形锚杆(索)支护技术、基于应力控制的冲击地压区域防范技术体系对冲击地压的防治作用及其在大同、义马等矿区的应用情况。     

防冲吸能锚杆(索)的静动态力学特性与现场试验研究

针对冲击危险巷道锚杆支护结构破坏特征及冲击载荷对锚杆–围岩支护系统的特殊要求,设计研发了新型防冲吸能锚杆(索)。基于塑性弯曲理论分析了吸能锚杆(索)的吸能原理,利用自主设计的静–动加载试验系统,进行吸能锚杆(索)的静力拉伸试验与冲击拉伸试验。结果表明:吸能锚杆(索)在拉伸过程中六角管衬里被挤压变形,同时给摩擦圆柱提供滑移阻力,六角管的管壁厚度、套筒内径及摩擦圆柱直径三者的装配参数对吸能阻力具有重要影响;无论是静力拉伸还是冲击拉伸,吸能锚杆(索)的轴力–位移曲线均存在轴力初始增长、轴力平稳和轴力突增—平稳3个阶段;在轴力平稳阶段内锚杆杆体基本处于弹性状态,摩擦滑移结束后,锚杆杆体开始受力屈服;吸能结构在吸收能量的同时很好的延迟或减缓了锚杆杆体受力屈服。与普通锚杆相比,吸能锚杆(索)具有良好的"自保护性"与"冲击适应性"。现场试验表明,吸能锚杆(索)能够有效削弱冲击能对巷道围岩的作用。     

动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟

煤矿生产中存在着大量的动力扰动,常导致采矿巷道和采场围岩局部失稳,诱发冲击矿压发生。在一定条件下,动力扰动可简化为平面应力波。针对片帮型冲击矿压,采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程,探讨巷道围岩层裂结构的形成与巷道埋深、岩体弹性模量及应力波强度、时程特性的关系,进而讨论“小进尺、弱爆破”可减小扰动应力波诱发冲击矿压的机制,得到一定地质条件下动力扰动诱发冲击矿压的条件。     

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。     

岩爆灾害控制的动静组合支护原理及初步应用

 目前岩爆支护理论研究以岩石准静力学理论为基础,存在一定局限性。从围岩结构效应的角度,分别探讨外界扰动和岩爆围岩本身诱发岩爆的动力学机制,外界扰动易在围岩破裂区和弹性区交界处发生应力波反射拉伸破坏,岩爆是满足一定条件下围岩内部自稳时变结构调整的过程,提出岩爆支护的结构时变控制原则。现有支护措施下岩爆动力学破坏特征表现为洞室表面岩体层裂剥离造成锚杆托板悬空,基于此,进一步提出岩爆灾害控制的动静组合支护原理,相应提出预留锚固方式、动静组合锚杆等关键技术,强调锚杆可伸长构件应设置在围岩体内部破裂区和弹性区边界附近,从而给应力波扰动破坏的弹性区岩石提供扩容变形空间,同时,锚固的杆尾能对层裂岩石提供补强作用。通过深部矿井岩爆巷道的现场初步应用,该支护技术能取得良好的防治效果。     

Principles and methods of rock support for rockburst control

This paper presents the principles of rock support for rockburst control and three rockburst support systems used in deep metal mines.Before the principles of rock support are presented,rock fracture related to strain burst is first discussed with the help of photos taken on site,and the energy sources and transformations during bursting are illustrated through conceptual models.Surface parallel extension fracture usually occurs in the ejected and surrounding rocks in a strain burst event,while the ejected rock in a fault-slip rockburst is often already pre-fractured before the event.There must be excessive release energy available for rock ejection.The excessive release energy comes from both the ejected rock itself and the surrounding rock.To prevent rock ejection in a rockburst,the support system must be able to dissipate the excessive release energy.All support devices in a support system for rockburst control must be able to dissipate energy,be firmly linked,and be compatible in deformability.A support system for rockburst control comprises surface-retaining devices and yield rockbolts as well as yield cablebolts when needed.Laying mesh on the top of shotcrete liner is a good practice to enhance the surfaceretaining capacity of the support system.Energy-absorbing yield rockbolts dissipate energy either by stretching of the bolt shank or by sliding of the inner anchor in the borehole.Mesh,mesh strap and shotcrete are the surface-retaining devices widely used in the current rock support systems.The three types of rock support used for rockburst control at present are soft support system using Split Set bolts,hybrid support system using rebar and two-point anchored yield bolts,and entirely yieldable support system using strong yield bolts.     

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。     

极软岩回采巷道互补控制支护技术研究

 从加固破碎岩体和提高支护阻力两方面综合研究入手,分析小康煤矿巷道围岩的力学及变形破坏特征,得出小康煤矿软岩回采巷道围岩失稳机制,指出原有支护系统变形不协调、支护阻力低和没有发挥围岩的承载能力是导致巷道破坏和支护失效的主要原因。以铁法矿业集团小康矿S2N8运输顺槽为工程实例,研究高强度高预紧力锚杆、强力锚索、金属网和喷浆加固以及U型钢在控制围岩变形中的互补作用,详细介绍高强度、高预紧力锚网索配合U型钢可缩支架的互补控制综合支护方案并进行现场工业试验。研究结果表明,互补控制支护技术能够避免极软岩回采巷道的多次翻修,实现支护一次到位。     

深埋高应力区巷道冲击地压预测与防治方法研究

 对平煤集团十二矿三水平皮带下山冲击地压预测与防治方法进行研究。结果表明,皮带下山所处位置构造复杂,以构造应力为主,地应力较大,属于深埋巷道。皮带下山围岩属典型的高强脆性岩石,具有中等偏强冲击倾向性。采用电磁辐射方法监测结果与实际发生冲击地压的情况基本一致,电磁辐射强度临界值为30 mV,脉冲数临界值为400 000次。电磁辐射指标超过临界值时具有冲击地压危险地段,采用拱顶浅孔爆破卸压法治理措施后,电磁辐射指标有明显下降,冲击地压的强度、频度均有所减弱和减少,有效地缓解和防治冲击地压发生的作用。巷道掘进施工采用短段掘锚作业,及时锚网喷索联合支护,打眼施工期间挂设防护网,最大限度地消除和缓解冲击地压的危害。     

抛掷型岩爆机制与模拟试验技术

 为探讨高地应力隧洞岩爆机制,在岩爆试件试验的基础上,对抛掷型岩爆机制提出4点新的认识,即围岩中要发生抛掷型岩爆,单靠岩爆体本身积蓄的能量还不够,必须要有周围岩体对其破坏过程进行能量补充;工程中发生岩爆时,洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇聚,这是抛掷型岩爆发生的重要前提;在抛掷型岩爆发生过程中,动、静状态转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的;在岩爆应力判据中,围岩在 = 0.3～0.7的条件下就可能发生岩爆,甚至可能发生强烈岩爆,这是因为围岩不是均质体,围岩内存在应力集中区和软弱结构区。现有的岩爆模拟试验采用油压控制系统加载无法实现抛掷型岩爆,这是因为油路供油速度缓慢所致。对抛掷型岩爆模拟试验技术,提出新的试验方案,研发新的试验装置,开展新的岩爆模拟试验。实践证明提出的试验技术和试验装置均能较好地模拟抛掷型岩爆现象,可供岩爆机制研究、教学及相关工程建设参考。     

基于经验方法的铁矿深井围岩岩爆倾向性预测

岩爆是深埋工程建设面临的关键技术难题,岩爆风险的准确预测与评估至关重要。深埋矿山岩爆风险主要取决于围岩应力水平和围岩强度之间的矛盾,岩体条件(岩性、岩石强度、岩体完整程度)是岩爆发生的物质基础,是否产生岩爆和岩爆风险程度则主要取决于围岩应力水平和状态。某铁矿深井巷道群规模大、布置方案复杂,最大埋深达到接近2 300 m,文中采用FLAC^3D软件平台编制了基于经验方法的通用性岩爆倾向性预测分析程序,评估了不同深度铁矿深井巷道群围岩的应力型破坏风险,并给出支护措施建议。研究所采用的分析技术和成果在国内具有一定首创性,特别适用于满足工程前期对地下洞室群围岩岩爆风险实现快速评估的现实需求。