煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术

针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题,以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景,分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法,从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面,揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念,采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律,阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料,研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备,形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数,并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明,巷道围岩协同控制技术应用后,巷道变形量降低50%以上,锚杆、锚索破断率降低90%,工作面采动应力明显减小,有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后,对下一步的研究工作进行了展望。     

锚杆拱形托板承载力试验与分析

为深入认识拱形结构对钢托板力学特性的影响,及其与不同锚杆匹配的承载适用性,基于球壳结构弹性力学与极限平衡分析构建了2种拱形托板承载力理论关系式,结合工程实践详细论述了其中5个影响参数。采用实验室加载试验研究了不同板厚、不同拱高的方形托板承载力与变形特征。结果表明:托板承载力与钢板厚度、拱高与拱底圆直径之比呈正增长关系;试验承载力较好地验证了理论计算式的适用性;此外,调向球垫尺寸与强度对托板承载与支护的充分发挥非常重要。综合以上研究与煤炭行业标准,提出常用锚杆规格与拱形托板尺寸的合理匹配表,以供矿山支护工程参考使用。     

极近距离煤层变厚度顶板下部回采巷道综合控制技术

针对三交河矿极近距离煤层采空区下变厚度顶板下部煤巷布置及合理支护的技术难题,通过上部残留煤柱应力扩散分析与提高掘采回收效率考量,确定601首采面两巷采用反向大错距的布置方案。在开展现场巷道顶板窥视、锚固力测试与预紧扭矩转化试验的基础上,提出了适应不同地质条件的煤巷差异化支护方案:架棚-锚杆联合支护、锚杆-锚索支护及锚杆-钢带-锚索支护。在井下实施了两条回采巷道的全进尺支护示范,监测结果表明:掘巷期间锚杆锚索工作载荷快速稳定,预紧力设计合理,围岩最大变形量30mm;回采期间超前巷道顶板最大下沉93mm。相关回采巷道综合控制技术保障了近距离下部煤层的安全高效开采。     

矿区地质动力区划趋势面分析的可视化软件系统

地质动力区划是矿区防治多种地质灾害的新方法。基于趋势面分析理论和3次样条插值函数及VB调用CAD二次开发成图技术,构建了地质趋势面分析的可视化软件系统。综合矿区地质地形图、震中分布图、地下勘察及地应力测量结果,软件系统可有效区划出活动断裂,从而为煤矿开采设计与瓦斯动力事故等灾害预防提供科学理论依据。     

特厚煤层小窑破坏区域工作面复采巷道围岩控制技术研究

通过采用包括地面物探、井下电磁法探测、巷道超前探测在内的综合探测技术,对矿井9煤小窑破坏区域进行详细探测。考虑到矿井9煤特厚煤层工作面两巷与小窑破坏区域的空间位置、围岩结构状况的不同,分别采用包括"超前预注浆+架棚支护"、"高预紧力强力锚网支护+工字钢棚复合支护"等方式,对小窑影响区域的巷道进行支护与加固。现场试验表明,经过支护与加固的小窑破坏区域巷道段,成功抵抗了煤层复采期间的各种压力,巷道围岩保持了良好的稳定性,实现了特厚煤层小窑影响区域残留煤炭资源的安全复采。     

深井沿空掘巷围岩变形破坏特征及控制技术研究

针对深井高应力软岩巷道变形量大、变形持续时间长、巷道难支护等问题,以口孜东矿沿空巷道为工程背景,通过现场调研、地应力测试、矿物成分分析及巷道围岩力学性能测试等手段,揭示高地压、强扰动是巷道产生大变形破坏的主要动力源,低抗载性围岩破裂加剧了巷道围岩的结构风化和强度劣化,加剧了巷道扩容变形,构成巷道产生大变形的主要内因;巷道断面不合理,支护强度低,加剧了巷道围岩扩容变形,构成巷道大变形的主要外因.从巷道破坏模式方面分析巷道5种典型变形破坏特征及发生机制;通过现场观测,揭示巷道表面变形的空间非对称性、不同深度围岩变形的跳跃性,以及巷道围岩内部结构劣化的非均匀性和跳跃性;总结了巷道大变形机理是高应力驱动下塑性区劣化后的围岩产生显著的流变与强烈的扩容变形,加速了巷道的变形失稳.提出口孜东矿沿空掘巷以"高预应力主动支护、注浆改性加固、强帮护顶"为核心的沿空掘巷支护技术,现场监测表明,该支护方案可有效控制深部高应力软岩巷道变形.     

近距煤层下分层回采巷道支护与监测分析

近距煤层上层煤开采时,下部煤层工作面顶板受到上部煤层采动而产生变形甚至破坏,造成下部煤层开采过程中其顶板管理、巷道布置和支护、回采工艺等方面均具有一定特殊性。采用理论分析、数值模拟对平朔二矿下组煤层B1103首采面回采巷道进行了支护设计,通过现场监测分析验证了巷道支护的良好效果。     

超深保护层开采巷道围岩控制技术研究

华丰煤矿1300 m超深保护层回采巷道稳定性控制是影响矿井安全高效生产的关键问题。基于现场地质力学综合测试、围岩非均匀性破坏机理研究,提出了超高强热处理预应力锚杆-锚注联合支护方案。研发了700 MPa级超高强热处理锚杆,其破断强度达850 MPa,冲击吸收功达100 J,并首次在1300 m埋深煤矿巷道进行了工业性试验。开展了巷道锚杆支护力、顶板四点离层与围岩钻孔应力等多参量变化在线监测,分析得出:超深巷道在爆破开挖扰动下,距离掘进工作面80 m后围岩整体变形基本稳定,但围岩深部应力仍然长期蠕变且呈现大幅值增降循环规律。试验结果表明,相比较于同巷顶板全锚索支护方式,锚杆?锚注联合支护下回采超前段巷道变形量整体降低了50%,掘进支护效率提高了20%。     

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

基于FTA方法的煤与瓦斯突出危险性评价研究

煤与瓦斯突出事故已被广泛研究,基于FTA方法的突出专项危险评价极少被涉及。依据煤与瓦斯突出综合假说和事故因果理论,本文提出了煤与瓦斯突出概念模型;基于FTA方法构建突出事故树基本模型。以大兴煤矿为工程实例,结合地质构造因素与突出事故树基本模型,建立了大兴矿突出事故树模型,通过最小割集、最小径集与结构重要度的计算,来评价该矿突出路径、危害程度及防治措施,完成煤与瓦斯突出危险专项评价。