深部厚顶煤巷道锚索梁布置方式作用机制研究

巨野矿区赵楼煤矿千米深井工作面顺槽多为典型厚顶煤巷道,围岩稳定性差,巷道破坏严重,控制困难。针对该问题,根据顶板锚索梁的不同布置方式,设计了横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种锚索梁支护对比方案,通过数值模拟得到了不同布置方式下围岩内部应力分布状态。结果显示:纵横组合方案作用下顶板连续受压区范围及数值最大(应力0.025~0.04MPa),纵向单梁方案次之。分析其作用机制在于:纵向单梁方案中锚索和钢梁共同作用对顶板巷中部位的围岩产生更强的控制作用,形成的受压区面积和压应力值较大;纵横组合方案在纵向单梁方案优势基础上进一步增强了支护系统对巷中两侧顶板煤岩流动的控制,将顶板煤岩保持在相对更好的受力状态。最后通过现场试验对各方案的围岩控制效果进行了对比分析,验证了上述机制分析结论的正确性。     

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。     

基于基本顶断裂位置的综放窄煤柱煤巷非对称支护技术研究

针对王家岭煤矿20103综放窄煤柱煤巷顶板支护过程中出现的非对称大变形控制难题,采用钻孔窥视法对基本顶断裂位置和顶板双向移动特征进行现场实测,结合顶板煤体微裂隙非对称演化过程的CT识别,提出槽钢简式桁架锚索与单体锚索平行布置非对称支护技术,并对其组成结构和控制机制进行系统研究。得出:(1)距20103掘进工作面100~300 m长度区间,基本顶在窄煤柱上方距巷道横截面铅垂中心轴2.918 m位置断裂;(2)基本顶断裂后回转下沉引起巷道顶板发生两次离层和水平错动:一次离层和水平错动导致煤柱侧顶板沿巷道长度方向区域性断裂,二次离层和水平错动诱发煤柱侧顶板局部冒漏;(3)窄煤柱煤巷顶板煤体微裂隙演化过程具有明显的不对称性:水平错动带煤体微裂隙数量、发育速度和贯通速度大于扰动稳定带煤体微裂隙数量、发育速度和贯通速度;(4)槽钢简式桁架锚索和单体锚索平行布置非对称支护机制:重点突出、刚柔并济、点线结合、均衡承载。20103窄煤柱煤巷采用槽钢简式桁架锚索和单体锚索平行布置非对称支护技术,煤柱侧顶板和回采侧顶板变形协调一致,围岩控制效果良好,研究成果对类似工程条件的巷道支护具有一定的理论意义和实用价值。     

松软煤层托顶煤巷道煤柱宽度优化及控制技术

以芦沟煤矿32081工作面为工程背景,采用数值模拟和现场实测等方法,研究了松软煤层沿空掘巷托顶煤巷道的变形特征及控制技术。结果表明:不同煤柱宽度下,巷道变形量的变化幅度由大到小的顺序是煤柱帮(498 mm)、顶板(260 mm)、实体煤帮(135 mm)、底板(105 mm)。以6 m煤柱宽度围岩变形最为理想,在沿空掘巷中顶底板变形和两帮变形都是巷道变形的主要方面,而在两帮变形中,小煤柱帮变形量占76%左右,在顶底板变形中,顶板变形占80%左右,得出巷道顶煤和煤柱帮是支护的关键部位。据此,提出了高强度锚网保证围岩完整,长锚索控制顶板稳定、在帮角布置加强锚杆的帮顶协同控制综合技术。通过现场实测表明,该支护方案对于此类巷道的围岩变形量有较好的控制效果,对于类似巷道的支护技术也提供了参考和借鉴。     

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。     

深部隧道框架式真三轴物理试验系统研制与应用

为了研究深部隧(巷)道围岩稳定性机理与支护控制技术,以千米埋深为基本条件,考虑三轴六面恒压加载和数字照相量测先进技术的应用,研制了一套结构紧凑、特色鲜明的真三轴框架式大型物理模拟试验系统。该系统由模型加载反力框架、以扁油缸与真空回油为特色的液压加载控制系统、自行研制的数字照相变形量测与围岩应力测试系统和开挖支护辅助装置4部分组成,可用于长1000 mm×宽1000 mm×厚1000 mm的深部隧(巷)道大型物理相似模型试验研究。最后给出在深部矿山巷道围岩变形受力观测分析与围岩分区破裂化现象再现试验的应用实例。应用结果表明,本套试验系统对于研究包括矿山巷道、TBM隧道在内的深部隧(巷)道工程开挖与支护过程中围岩变形与应力分布规律及其稳定控制作用机理都具有重要价值。     

深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术

以淮南谢家集第一煤矿深部沿空留巷为工程背景,采用数值模拟分析巷道围岩变形与应力分布特征。详细介绍深部沿空留巷井下试验,包括巷内基本支护、加强支护与巷旁支护设计,从巷道掘进、留巷,一直到留巷复用各阶段的矿压监测数据。通过围岩、充填体位移与锚杆、锚索受力数据分析,评价支护效果。井下实践表明:采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护,单体支柱配铰接顶梁为加强支护,及膏体充填巷旁支护,能够有效控制深部沿空留巷围岩的强烈变形,保持留巷稳定。基于数值模拟与井下试验研究成果,分析巷内基本支护、加强支护与巷旁支护的相互关系,指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、基本顶回转及围岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别,并提出深部沿空留巷支护设计原则。针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

大断面强采动综放煤巷顶板非对称破坏机制与控制对策

 针对大断面强采动综放煤巷开掘过程中出现的顶板非对称变形破坏现象,以王家岭煤矿为工程背景,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟和井下试验等手段,对变形破坏机制与控制对策进行研究。得出如下结论：(1) 综放煤巷顶板呈现非对称变形破坏特征,表现为煤柱侧顶板严重下沉、剧烈水平滑移变形及肩角部位顶板错位、嵌入、台阶下沉等;(2) 侧向基本顶于煤柱上方距采空区边缘6～7 m处发生破断,基本顶的破断和回转下沉运动引起的不均衡支承压力q和回转变形压力?是沿空巷道不对称变形破坏的根本力源,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位;(3) 受采空区不稳定覆岩运动和巷道开挖影响,巷道围岩结构和应力分布以巷道中心线为轴呈非对称性分布,而原有支护未能对煤柱侧顶板及肩角等部位加强支护且无法适应顶板剧烈水平运动,巷道掘出后呈现出非对称矿压显现,后期受到本工作面回采影响,非对称变形破坏进一步加剧。(4) 分析该类巷道支护原理,提出集高强锚梁网、非对称锚梁桁架结构、预应力锚索桁架的非对称控制体系,阐述其控制机制,并进行方案设计和工程应用。数值模拟和工程实践表明,该技术可有效减弱顶板应力和位移分布的非对称性,控制围岩非对称变形破坏。     

恒阻大变形锚索支护巷道变形机制模型试验研究

为解决深部软岩巷道大变形问题,以口孜东矿千米深井巷道为工程实例,采用理论分析及物理模型试验的方法,对恒阻大变形锚索支护巷道的围岩变形机制进行研究。首先基于弹性力学理论,将直墙半圆拱断面巷道简化成圆形断面巷道,得出圆形巷道在恒定支护力、不同应力条件下围岩应力分布特征及巷道位移的解析解。其次基于相似理论,设计并完成模型恒阻锚索巷道支护试验,试验结果表明,随着围岩应力的增大,巷道位移程度增大;随着(水平)构造应力增大,巷道缩帮逐渐大于顶底板移进量,构造应力对稳定性影响显著;恒阻大变形锚索能够将应力向深部转移,使锚索锚固区岩体发挥支撑作用。将巷道围岩位移理论计算值与模型试验中各阶段监测值进行比较,结果吻合较好。与现场监测对比发现,巷道变形规律与试验变形规律一致巷道表面位移误差在5%以内,说明模型试验具有一定的参考性。     

Model test study on surrounding rock deformation and failure mechanisms of deep roadways with thick top coal

The deep roadway with thick top coal is a typical roadway difficult to support in deep mining project, and resolving this sophisticated problem to control the stability of surrounding rock is of great significance in safety production of coal mines. In order to explore the surrounding rock deformation and failure mechanisms of such deep roadways, with Zhaolou coal mine in Juye mining area of China as the engineering background, a large-scale geomechanical model test was carried out. The displacement and stress evolution laws of surrounding rock supported by the pressure relief anchor box beam system were researched. Meanwhile, the related results validate and analyze main failure characteristics and mechanisms of the surrounding rock by comparing with field test.     

软弱半煤岩巷围岩的变形机制及控制原理与技术

 以广西百色东笋煤矿为工程背景,针对力学强度较低的半煤岩巷道难支护问题,采用现场调查、室内试验、岩体测试与监测、数值计算、理论分析和工业试验等手段进行变形机制和控制技术等研究。首先,通过巷道变形情况的调查发现,东笋矿区半煤岩巷呈现大变形特点,变形主要出现在巷道的两帮,以中下部最为严重;进行围岩裂隙窥视与实验室力学试验,可知,巷道岩体强度较低,遇水崩解、膨胀,松动圈可达到4 m左右。然后,分析岩煤巷道破坏的主要原因与变形特点,认为支护失效与巷道失稳的主要路径为：围岩强度较低→节理裂隙发育(外界环境及扰动作用下)→碎胀变形→应力叠加及流变→大变形;最后,分析该类巷道的支护原理,提出以“桁架锚索”为核心的“锚、网、索、梁”综合支护技术。理论分析表明关键在于帮部的支护,即桁架锚索,桁架锚索既起到力传递作用,又增大帮壁煤岩体的受力面积,提高支护刚度。根据煤岩体变形与桁架锚索受力特点,设计一种反扣装置,该装置能提高锚索桁架钢的抗弯矩能力。应用表明,该综合支护技术能发挥“固帮”“强顶”和“抑底”等作用,从而达到全方面地提高巷道的稳定性。     

李粮店煤矿巷道围岩变形机理及支护研究

本文首先针对李粮店煤矿开拓巷道围岩变形现状分析该处地应力规律,最后根据本矿大采深软岩的特点提出采用锚架注联合支护技术,为深部巷道合理支护和煤层安全高效开采做了一次较好的尝试。     

中空注浆锚索技术在软岩高地应力巷道的应用

针对清水营煤矿软岩巷道围岩失稳变形严重现象,本文主要对失稳原因进行分析总结,提出以中空注浆锚索补强加固为主的支护方案。文章介绍了中空注浆锚索支护原理,进行了中空注浆锚索支护试验,发现巷道顶板和帮的位移变形明显减小,变形量得到有效控制,减小了围岩的松动不稳定范围提高了巷道的持续承载能力和稳定性取得了良好的支护效果。     

淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷破坏特征及控制对策研究

 针对淋涌水碎裂煤岩顶板煤巷支护过程中出现的围岩剧烈破坏难题,综合现场调研、煤岩试验、数值模拟、理论分析及井下试验与实测等方法,对其变形破坏机制、工字钢与锚杆(索)支护位移场的分布及煤巷动态破坏特征、顶板钻孔淋水量分区、新型防水锚固剂的锚杆(索)锚固力测试及淋涌水碎裂顶板控制对策进行系统化研究,主要研究内容及结论如下：(1) 淋涌水碎裂煤岩顶板的破坏主要是支护结构体的非整体性承载、锚杆(索)支护受钻孔淋水持续弱化失效以及顶板复合煤岩结构刚强度差异大而导致的离层综合作用的结果;(2) 研究新型防水树脂锚固剂,并通过井下淋涌水顶板锚杆(索)拉拔试验及支护后期锚索监测结果,检验防水锚固剂稳定性能;(3) 提出控制淋涌水碎裂顶板的“四位一体”控制对策,分析具体支护措施力学效应及保持顶板稳定性方面的作用;(4) 详细介绍井下运用“四位一体”综合控制系统的一典型淋涌水型碎裂煤岩顶板煤巷成功实例。研究成果可在霍州矿区进行推广应用,对类似条件巷道支护技术具有一定的理论和实用价值。     

沙吉海煤矿01工作面煤巷稳定性分析与支护对策

结合沙吉海煤矿01工作面煤巷工程实例,分析了巷道变形破坏原因及该部位的变形力学机制,确定了复合型变形力学机制转化为单一型的具体对策,提出了恒阻大变形锚杆+中空注浆锚索+底角注浆钢管耦合支护技术,并应用于工程实践,监测结果表明,支护效果良好,为类似条件下的巷道支护提供了借鉴。