海下强膨胀软岩动压巷道恒阻让压耦合支护技术研究

为解决北皂煤矿强膨胀软岩回采巷道在超前动压力作用下引起的开挖初期变形量大、全断面持续大变形、U型钢支架破坏严重等问题,采用微观物化分析、地应力测试等手段,揭示围岩强度低、强膨胀性、强吸水软化、围岩应力四周来压、支护与围岩变形不耦合的失稳机制,提出恒阻锚杆支护方法,并揭示恒阻锚杆可通过高阻、高预紧力、可变形让压结构特征支护强膨胀软岩的支护机制,最终提出锚梁结构强化顶板+恒阻锚杆加固两帮+注浆锚固支护底角的恒阻让压耦合支护方案,并采用数值模拟进行支护效果对比分析。现场试验表明:恒阻让压耦合支护能够较大幅度减小巷道围岩变形量和超前动压影响范围,其中变形量最大282 mm,超前动压影响距离70 m,分别较普通螺纹钢锚杆+锚梁支护变形量减小64.8%、动压影响距离减小10 m,较U型钢架棚壁后浇筑混凝土支护变形量减小54.7%,动压影响范围减小20 m。在同类软岩巷道中具有良好的推广应用价值。     

恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用

 传统刚性锚杆允许巷道围岩的变形量一般均在200 mm以下,不能适应巷道围岩大变形破坏而被拉断失效。自主研发的恒阻大变形锚杆能提供恒定工作阻力和稳定变形量,该锚杆主要由恒阻装置和弹性杆体组成,适应于软岩巷道、深部巷道的围岩支护,可以有效控制冲击地压等工程灾害。利用自主研发的恒阻大变形锚杆(索)试验系统对恒阻大变形锚杆进行室内力学特性试验,试验结果表明,恒阻范围内累计变形量最大值可达1 000 mm。在我国典型深部软岩矿井巷道支护进行现场科学试验,效果良好。     

恒阻大变形锚杆拉伸力学性能及其应用研究

为了进一步研究恒阻大变形锚杆的拉伸力学性能,采用室内拉伸试验和现场实践相结合的方法,通过恒阻大变形锚杆(索)静力拉伸试验系统对恒阻大变形锚杆进行拉伸试验,从支护能力、锚杆伸长量、直径变形量和吸收能量4个方面对试验数据进行对比分析,并对其进行工程应用。试验与应用结果表明,恒阻大变形锚杆能够在顺应围岩大变形过程中,通过对围岩提供恒定的支护阻力,实现岩体内部变形能量的有控制性释放,从而达到支护体–围岩共同作用的巷道稳定性控制目标。恒阻大变形锚杆独有的恒定较高支护阻力、大拉伸量、锚杆变粗、吸收能量能力强的特点为易发生大变形破坏的软岩及深部巷道工程稳定性控制提供了有效途径。     

新疆中生代复合型软岩大变形控制技术及其应用

 针对新疆沙吉海矿区中生代复合型软岩产生的顶板离层冒落、侧墙鼓出、底板鼓起等非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、理论分析、数值计算、物化分析、软岩水理作用测试、现场测试等手段和方法,深入分析本区中生代复合型软岩巷道围岩的分子膨胀+岩体结构面错动+开挖扰动的复合破坏机制,提出以恒阻大变形锚网索耦合支护为核心的主动支护技术体系。通过恒阻装置充分释放围岩膨胀能和塑性能,减小支护荷载及高应力集中,同时借助高阻性能抑制过大有害变形,合理控制围岩塑性圈;然后通过锚网索二次耦合支护消除围岩塑性大变形、层间软弱结构面的错动引起的围岩–支护之间的变形不协调,并采用注浆锚管控制底鼓大变形,最终形成围岩–支护结构协同承载体系。基于非线性大变形力学设计方法及数值分析,进行施工过程设计及参数设计。工程实践表明,该技术得到成功应用,保证了巷道的稳定。     

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     

高应力软岩巷道可接长锚杆让压支护技术

高应力软岩巷道的塑性区范围和变形量均较大,其稳定型控制需要支护材料具备良好的延伸性能及深部锚固特性。基于“高阻让压”而研发的可接长锚杆长度大于4 m、延伸率为17%,破断载荷为195 kN,能够适应此类巷道的变形破坏特征。根据支护材料和围岩的变形破坏特征,分别建立了可接长锚杆和“锚杆+锚索”支护系统的本构模型,结果表明：为保证支护结构稳定,避免支护系统本构模型失稳后应变量剧增,支护系统本构模型的应变上限不能超过支护元件的最大应变量;可接长锚杆能够能提供远大于锚索的让压距离,保障软岩巷道支护系统的支护强度和稳定性。试验条件下,可接长锚杆的平均支护阻力约为170.2 kN,顶板0~4 m内围岩理论变形量为264 mm,与工程实际变形量比较接近,起到了对高应力软岩巷道顶板的让压支护的目标。     

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。     

煤矿高恒阻大变形锚索受力特性、规律及应用研究

 为解决煤矿锚索材料在缓慢大变形和瞬时大变形支护时出现的问题,采用理论分析、实验室测试、现场试验等相结合的方法,研发由恒阻装置和锚索体组成的煤矿专用高恒阻大变形锚索;室内试验得出恒阻锚索静力拉伸时,可保持350 kN的恒阻力,延伸量可达300～950 mm;动力冲击荷载时在达到极限延伸量1.6 m时,冲击阻力基本稳定在280～375 kN;恒阻锚索以滑脱破坏失效代替传统锚索的崩断破坏。在锚索受力超出恒阻值后,恒阻器进入滑移阶段,该阶段恒阻器温度呈现先陡然增加后缓慢减小趋于平缓的特征,最高温度35.6°;并且随着锚索拉伸量的增加恒阻套管外径均匀增大的负泊松比的工程材料特性,外径最大增加量4.1 mm,负泊松比值－0.5～－2.0。在回采巷道爆破冲击破坏试验、高瓦斯恒阻锚索留巷、浅埋大断面切顶成巷等大变形巷道工程中的现场试验,恒阻器滑移量最大值57 mm,具有低温、高预紧力、大延伸量等支护优势,支护效果良好,在软岩巷道支护、深井支护、冲击巷道、动压巷道等支护实践中,具有良好的推广价值。     

深部回采巷道防冲释能耦合支护技术及应用

为解决深部回采巷道围岩大变形、支护体易破断失效的难题,以济三煤矿深部回采巷道为研究对象,采用理论分析、数值模拟及室内试验相结合的方法,研究围岩变形破坏机制、防冲释能耦合支护技术原理及其应用效果。结果表明:济三矿区深部回采巷道大变形易冲击的主要原因在于复杂的高应力场及其叠加,使得以厚层坚硬砂岩为主的顶板易积聚能量,而现有支护体系无法有效吸收并转化围岩剩余能量;相比于传统支护体系,恒阻大变形支护体系可多吸收能量(DFDx),实现了围岩大变形能量的控制性释放,因其恒阻值(F)和变形量(Dx)均可单独设计,解决了防冲支护体系中高预应力难施加、易破断及定量化防冲设计的难题,现场应用效果显示,恒阻支护相比原支护围岩变形减少约40%,超前影响范围减少约33%。研究成果可为类似具有冲击倾向性的深部回采巷道支护设计提供借鉴。     

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。     

软岩大变形巷道底臌破坏机制与支护技术研究

 随着资源开采由浅部向深部转移,如何有效地控制底臌成为深部软岩巷道支护中首要考虑的问题。针对国投新集刘庄煤矿围岩破坏严重、难支护的情况,结合刘庄煤矿制冷硐室所处的地质环境特点,在巷道围岩的物理力学特性、岩石矿物成分分析、现场地应力测量、现场大型真三轴流变试验的基础上,分析巷道底臌的主控因素,研究表明：本巷道底臌变形主要是由于软弱围岩在较高的水平构造应力作用下,产生明显的流变变形所致。在此基础上,对该巷道进行支护设计优化,提出一种由U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充结合预应力锚索的被动卸压与主动施压相结合的底臌变形控制方案,并通过数值方法验证该方案的合理性。     

冲击地压预测的电荷感应技术及其应用

利用建立的煤岩电荷感应试验系统,研究煤岩变形破裂过程的电荷感应规律;利用研制的电荷感应仪对矿井进行现场测试。试验研究表明,煤岩在变形破裂过程中有电荷感应信号产生,煤岩体中应力越高,变形破裂过程越强烈,产生的电荷感应信号越强;在临近峰值应力前电荷感应信号最强,在煤岩体破坏后也有较强的电荷感应信号产生;抗压强度越高的煤样,电荷感应信号也越强,信号越丰富,持续时间越长。煤岩体变形破裂过程中产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。现场实践表明,测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。在工作面平稳时期,测得的电荷感应幅值较小,而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。利用电荷感应方法能够预测冲击危险的发生,但尚处于试验阶段,电荷感应预测技术还需要在现场不断验证和完善,以期最终为矿井冲击地压等煤岩动力灾害的非接触预测预报提供可靠的技术支持。     

唐山沟矿厚层砂岩顶板切缝沿空成巷试验研究

 垮落带内含有厚层坚硬岩层时,难以冒落,易在沿空巷道采空区侧形成弧形三角悬板,对沿空巷道产生较大压力。以大同唐山沟8820厚层砂岩顶板首采面无煤柱开采为背景,分析普通充填留巷和切缝沿空成巷侧向顶板断裂结构特征及围岩稳定过程,认为对垮落带内直接顶坚硬层顶板进行合理参数下的切缝,可使得切缝高度范围内采空区边界直接顶和基本顶失去约束,并沿切缝结构面剪切破断充分冒落接顶,降低破断冲击动载;并通过UDEC数值模拟软件,分析出切缝有利于矸石冒落并支撑上覆岩层,可将上覆基本顶岩层的触矸点前移,限制基本顶回转和下沉作用引起的围岩压力,明显减小巷道围岩变形量。基于理论、数值分析研究结果,确定唐山沟矿8820回风巷巷内加强巷旁密集支柱+巷旁双向聚能爆破切缝的上压下支中间切缝的联合切顶方案。通过井下爆破参数试验、矿压监测分析,评价切顶成巷的效果。井下试验表明：顶板高恒阻大变形锚索、巷内加强巷旁密集支柱、巷旁密集档矸点柱、超前聚能切缝爆破的切顶成巷综合技术,能够有效切落沿空巷道侧向顶板并形成完整巷道,各项指标均满足下一工作面回采要求。     

深部矿井大硐室围岩变形特性实测与分析

结合望峰岗煤矿-960m水泵房现场实测数据，分析了地下硐室的实际受力情况、围岩的变形特征和支护结构的工作压力及变化规律等，对掌握煤矿深部大硐室围岩力学特性、支护设计方案和施工具有一定的参考作用。     

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。     

隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压 支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。     

含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验研究

 煤岩卸荷过程物理信息监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。应用自主研发的电荷采集装置,进行了含瓦斯煤岩围压卸荷瓦斯渗流及电荷感应试验。研究结果表明：含瓦斯煤岩围压卸荷过程中,瓦斯渗流特性及电荷感应规律与煤岩的变形损伤过程具有十分密切的关系。随着围压卸荷速率的提高,煤岩内部大量微观裂纹扩展,促进了煤岩变形损伤,增大了煤岩内部裂纹间局部束缚电荷突变为自由电荷的概率,使得煤岩主破裂过程产生的感应电荷大幅增多;围压卸荷减弱了煤岩环向所受的限制作用,增加了煤岩内部新的导气通道,煤岩渗透率增大。气体携带煤粉颗粒与煤岩孔道固壁间的摩擦作用形成冲流电流,冲流电流对煤岩电荷信号贡献了附加量,使电荷信号增强。