基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用

通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析,确定了顶板岩层失稳的宏观过程;针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征,建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型,基于其协调变形及共同承载特性,求解出了叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆(索)支护强化参数,揭示了锚杆(索)对叠加梁结构的支护作用机理,即优化不同抗弯刚度的各层顶板...     

复杂围岩条件下巷道底板反拱支护 失效机制及控制

为探索巷道底板反拱支护结构失效机制,以刘园子煤矿+1100 m轨道石门为工程背景,采用现场勘察、理论分析、数值计算和工程实施相综合的研究方法,阐明底板反拱结构失稳的原因,揭示反拱结构失稳的力学机制,提出反拱结构失稳的"滑转梁"力学模型,并基于Lamé公式、弹塑性理论及力学原理给出"滑转梁"的平衡方程,以该方程分析摩擦因数、岩体内聚力、"锚护岩"深度和"滑转梁"厚度对反拱结构的稳定性及支护强度的影响。结果表明:1)底板反拱结构与U型支架连接处刚度不足是其失稳的关键;2)摩擦因数和底板岩体强度对反拱结构的稳定性有较大影响,而"锚护岩"深度和"滑转梁"厚度对其影响则不明显;3)"滑转梁"的力学状态决定底板的稳定性,当底板支护强度小于临界值时,反拱结构会发生"滑移上升""旋转上升""滑转上升"3种不同的失稳,每种失稳方式的判式及临界值亦不同;4)在巷道及其应力分布对称条件下,3种失稳判式可写成一个程式;5)通过增加反底拱结构与U型钢支架接触处的约束力,或增大底板岩体内聚力可有效控制底鼓;采用底板锚杆支护和增大反拱结构厚度亦能在一定程度上抑制底鼓。基于以上研究,采用底角锚杆+喷浇筑混凝土+36U型圆棚联合支护方案来提高巷道底角刚度及岩体强度,数值分析及现场实施结果均表明该方法能有效控制石门底鼓。     

高应力泥岩顶板巷道围岩失稳特征及控制分析

通过对高应力泥岩顶板回采巷道破坏特征、力学变形机制及失稳原因分析,建立了回采巷道锚杆-锚索支护区变形协调方程,提出了高应力泥岩顶板回采巷道围岩控制关键技术,确定了预留断面高强预应力锚杆-锚索协调变形支护方案,并对设计方案进行了数值计算与工业性试验。结果表明:高应力泥岩顶板巷道表现为顶板破碎严重及离层量大、两帮呈非对称收敛变形与底鼓量大的特征;高应力及泥岩顶板软弱围岩是巷道围岩产生破坏的内在原因,锚杆-锚索支护强度过低及锚杆-锚索支护区非协调变形则是巷道围岩破坏失稳的外在原因;古汉山矿13051回采巷道围岩为高应力-节理化-膨胀性复合型(HJS)软岩,为Ⅰ_(AB)Ⅱ_(AB)Ⅲ_(ABD)复合型力学变形机制,采用设计支护方案后,巷道围岩变形能利于释放,围岩压力减小,锚杆-锚索受力均匀,巷道围岩变形保持在可控范围内,预留断面高强预应力锚杆-锚索协调变形支护利于巷道围岩稳定。     

多软弱夹层的巷道顶板稳定特性及支护设计

建立了多层软弱夹层条件下巷道坚硬层状复合顶板的力学模型,分析了其结构特征、离层破坏机理及判据,基于关键层理论、组合梁理论和悬吊理论的基本原理提出了巷道顶板锚固支护参数的计算方法。研究表明:含多个软弱夹层的坚硬复合顶板由于顶板岩层的离层导致顶板刚度降低从而致使顶板下沉、破裂、冒落;顶板岩层的离层状况主要由各层的弯曲挠度的差异性所决定;通过锚杆形成的顶板组合梁需要具备足够的组合强度,否则很容易和老顶发生离层并造成岩梁两端发生弯曲断裂或剪切破坏而形成简支梁结构,最终使岩梁失稳冒落;合理的顶板锚固参数尤其是预紧力设计对于控制巷道顶板岩层的失稳作用明显。     

软弱泥化巷道破坏机理及修复控制技术研究

化乐煤矿1#轨道石门为软岩巷道,巷道开掘后变形破坏严重。通过现场调研、理论分析、巷道围岩组分分析、围岩结构探测,确定底板无支护、围岩遇水软化及原支护强度低是造成巷道失稳破坏的主要原因。针对软弱泥化巷道变形破坏特征,设计采用U29型钢支架+锚网喷+底板锚索+注浆联合支护方式控制围岩变形。对该方案进行现场工业性试验,并进行围岩变形监测。结果表明,石门变形得到有效控制,巷道满足安全生产要求。     

弱胶结软岩巷道层状底板底鼓机理及控制对策

为研究弱胶结软岩巷道底板层状特性对底鼓的影响,采用数值模拟与力学分析相结合的方法,对层状底板失稳机理及控制技术展开研究。结果表明:1)层状底板压曲失稳后形成非稳定区、亚稳定区和稳定区,非稳定区是底板变形活跃区域,是支护和加固的主要对象,亚稳定区对底板变形具有宏观调控作用,稳定区是底板主要承载结构;2)随着分层厚度增加,各分层承载能力提高,底板具备更强的抗变形能力;3)巷道最大底鼓量随岩梁刚度增加呈负指数式减小,随侧压和底板载荷增加呈线性增加,随巷道跨度增加呈指数式增长。提出以"高强锚网梁索+喷浆密闭+底板锚注"为核心的支护系统,现场试验表明该技术有效控制了弱胶结软岩巷道层状底板的变形。     

极破碎软岩巷道失稳机理与动态迭加耦合支护技术研究

基于赵庄矿极破碎软岩巷道长期矿压监测、围岩力学参数测试与矿物成分分析及松动圈测试等成果,分析了巷道围岩变形破坏的特点,揭示了极破碎软岩巷道变形失稳机理;针对该矿极破碎软岩巷道提出了由预留变形量、锚网索喷耦合支护、二次锚注加固组成的动态迭加耦合支护技术方案,并通过相似模型试验和井下工程实践对该技术方案的支护效果进行了验证。研究表明：通过预留变形量释放围岩中的变形能和高应力,顶板高预应力锚索、帮部高预应力锚杆和低预应力锚索实现“控顶卸压”,低压浅孔充填和高压深孔渗透注浆相结合形成积极有效的锚注支护结构和多层组合拱(梁)结构,底角和底板锚注有效控制巷道底鼓,从而实现对极破碎软岩巷道围岩变形的有效控制。     

亭南煤矿深部软岩巷道底鼓“四控”机理及应用

针对亭南煤矿深部软岩巷道底鼓大变形现象进行深入研究,综合采用现场工程地质调查、物化分析、数值模拟计算、现场测试等方法,分析得出西翼轨道巷道底鼓的复合型变形力学机制,提出采用"四控一措施"新技术将复合型变形力学机制转化为单一型变形力学机制,即将顶板、两帮、底角和底板四部位看作是相互联系的整体,综合控制各部位变形,并结合防治水措施,达到有效控制底鼓的目的。"四控"是指:在顶板施加锚杆并在关键部位施加锚索,有效降低来自顶板并传递至底板上的应力;通过施加底角锚杆,利用材料自身抗弯刚度,切断底板基角塑性滑移线;帮部打入锚杆,增强帮部岩体强度,减小发生底鼓底板宽度;施加反底拱对底板作用均匀一致的支护反力,形成封闭的支护体系。"一措施"是指:及时设置排水沟,避免排水不畅积水浸入底板造成膨胀性底鼓;对顶板及两帮围岩做喷浆处理切断裂隙水路径;巷道挖底后立即铺设干石灰粉垫层封闭底板围岩。工程实践表明,该项新技术在亭南矿有效地控制了软岩巷道底鼓变形。     

高地应力软岩下山非对称变形机理与控制研究

软岩巷道稳定性控制是当今深部煤炭资源开采面临的难点,以刘桥一矿Ⅱ66辅助下山为支护工程实践。现场实测发现巷道底板软弱破碎,围岩非对称变形严重;室内测试显示,围岩强度较低,且富含伊利石、长石和绿泥石等亲水性矿物;地应力测量表明,辅助下山处于高原岩应力区,最大主应力为水平应力且与巷道轴线方向夹角较大,不利于围岩稳定;理论分析显示,由于原支护方案没有采取控底措施,U型钢承载结构稳定性较差,底板破坏易带动帮墙失稳;采用FLAC3D数值模拟软件分析了邻近采掘工程对辅助下山的影响,获得非对称变形诱因和失稳的始发部位。基于上述分析,提出了"注浆锚杆+注浆锚索多层次"组合控制措施,现场工业性试验效果较好,满足安全生产需求。     

中空注浆锚索在高地应力松软煤巷中的应用研究

高强度中空注浆锚索与高性能锚杆相结合的组合控制技术,能有效控制高地应力松软煤巷等该类巷道出现的巷道失稳问题.某矿3313综放工作面回风平巷在深部掘进时出现围岩变形量大、支护失效等问题,高地应力、围岩性质差和原始锚杆支护参数的不合理是导致巷道失稳的主要因素.针对该巷道特点,采用高预应力锚杆(索)支护条件下围岩适当让压、中空注浆锚索注浆以改善顶板大范围内围岩力学性质等技术,有效控制了围岩塑性区发育、提高了顶板围岩强度并改善了锚杆受力状态.现场工业性试验表明:与前期掘进巷道相比,围岩松动区缩小为1 m左右,顶板、底板及两帮的变形量分别下降了63.6%,53.3%和51.7%,高地应力松软煤巷的围岩变形得到了有效控制.     

不同支护结构对深部巷道围岩变形的时效分析

为合理选择深部软岩巷道的支护形式和支护时机,采用有限差分软件FLAC3D,考虑围岩强度的时效性,分别研究了锚杆锚索主动支护结构、U型钢和壳体被动支护结构及反拱加底板锚杆支护结构对深部软岩巷道围岩变形的控制作用。结果表明:因围岩强度的时效性,岩体之间作用减弱,锚杆、锚索等柔性支护结构调动岩体发挥承载作用的能力降低,围岩变形明显;巷道前期剧烈变形后,因锚杆锚索具有一定围岩自身承载能力,施加刚性支护可有效控制巷道变形;底拱和底板锚杆有利于改善底板围岩受力环境以及控制巷道围岩变形整体协调性;注浆是改善围岩变形时效性的有效手段。提出初期以高预应力、高强度锚杆等进行支抗与卸压,后期以刚性支护及注浆进行加固的巷道支护对策。     

底板软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响分析

煤层底板软弱层位易出现应力集中,增大巷道围岩稳定性控制难度。基于此,本文通过FLAC3D数值软件建立含底板软弱夹层的巷道围岩稳定性计算模型,分析了软弱夹层影响下巷道的应力、变形和破坏特征,研究了软弱夹层位置和厚度对巷道稳定性的影响规律。研究结果表明:①有无软弱夹层的对比分析结果显示,底板软弱夹层增大了巷道围岩稳定性控制的难度;②巷道底板围岩最大位移和锚喷支护层最大弯矩随软弱夹层厚度的增大而增大;③巷道底板围岩最大位移和锚喷支护层最大弯矩随软弱夹层距巷道底板距离的增大而减小;④针对底板软弱夹层的特点,提出了改变巷道围岩支护方法和强化破裂围岩体强度等施工建议。     

基于耦合支护理论的破碎软岩巷道支护及其评价

针对红杏煤矿2#松软破碎煤层集中运输大巷顶板离层下沉、两帮移近量大、支护困难的问题,基于现场调研及耦合支护力学原理分析了巷道变形失稳的原因,得出巷道所处的复杂地质力学环境(构造发育、构造应力大)和巷道围岩自身特性(强度低、松散、破碎)是影响巷道稳定的重要因素,而破坏失稳的根本原因是支护体和围岩在强度和刚度不耦合。得出破碎软岩条件下巷道围岩耦合支护原则,并对巷道合理的支护方式及支护参数进行了设计,运用数值模拟对其进行了评价;现场工业试验结果表明,两帮移近量最大为250 mm,顶底板移进量最大为650 mm。     

基于耦合支护理论的破碎软岩巷道支护及其评价

针对红杏煤矿2#松软破碎煤层集中运输大巷顶板离层下沉、两帮移近量大、支护困难的问题,基于现场调研及耦合支护力学原理分析了巷道变形失稳的原因,得出巷道所处的复杂地质力学环境(构造发育、构造应力大)和巷道围岩自身特性(强度低、松散、破碎)是影响巷道稳定的重要因素,而破坏失稳的根本原因是支护体和围岩在强度和刚度不耦合。得出破碎软岩条件下巷道围岩耦合支护原则,并对巷道合理的支护方式及支护参数进行了设计,运用数值模拟对其进行了评价;现场工业试验结果表明,两帮移近量最大为250 mm,顶底板移进量最大为650 mm。     

薄层状煤岩体中巷道的不均匀破坏及封闭支护

煤矿巷道常布置于薄层状煤岩互层中,围岩表现出非对称和不均匀性的破坏特征,采用常规的开放式对称支护技术方案效果较差,不利于此类巷道的长期维护.结合淮北矿区孙疃煤矿频繁穿越煤岩层区的巷道工程,总结了包括肩角失稳破坏、一帮内挤、底板(梁)凸起及全断面失稳等多种不均匀破坏特征,并分析其主要影响因素;提出以锚杆、锚索、注浆等主动支护为主体构建整体封闭式支护,辅以结构补强的技术原理,通过锚杆与锚索预应力的协同作用、锚固体与围岩注浆的相互强化作用、锁腿与U型钢拱形支架的结构补强作用等形成协同支护效应,以有效控制穿煤岩层区层状围岩巷道的不均匀破坏.采用顶帮锚架注、拱脚连续锁腿约束及底板钻锚注等方法合理实施巷道全断面加固,并在孙疃煤矿埋深570 m穿煤岩层区域巷道应用,巷道稳定后围岩收敛变形控制在180～220 mm范围,保障了施工安全和长期稳定.     

基于复杂应力软弱围岩的矿井建设支护研究

以西山煤电集团某煤矿回风巷为背景,分析研究了处于高应力条件下软弱围岩的支护方法。经过与普通围岩巷道进行对比,分析了软岩支护的难点,并采取了相应的支护对策。通过分析软岩巷道围岩变形控制理论,提出了软弱围岩锚杆(索)网联合支护方法。将锚杆(索)网联合支护应用于该回风巷,通过监测,从顶板、底板及两帮3方面研究了围岩的变形情况,结果显示,该支护方法取得了较好的效果。     

深部极软岩巷道非均匀支护技术

新安煤矿1208工作面回采巷道埋深大,围岩成分和力学特性分析表明,该巷道为深部极软弱顶底板夹中硬煤层的"极软夹中硬"高应力型回采巷道,并提出了围岩控制的非均匀锚网索联合支护方案。工程实践表明,该支护技术有效地控制了深部极软岩巷道围岩的大幅度破坏,取得了良好的技术经济效果。     

薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制

针对百色矿区薄煤层开采条件下半煤岩巷道大变形及难控制等问题开展了一系列研究工作。首先,在巷道工程资料与数据的基础上,开展了薄煤层回采巷道工程地质特征的分析,发现薄煤层巷道围岩地质构造普遍较为复杂,岩体完整性差;现场监测了回采巷道围岩的变形全过程,分析了掘巷影响阶段、掘巷影响稳定阶段和工作面回采期阶段等时期的围岩工程行为及变形特征。然后,根据所收集的岩样和自制的煤岩组合体试样,分别进行了点载荷强度和不同高度比的煤岩组合体力学强度试验,结果表明,此类岩石力学强度较低,煤体与岩体破坏呈不均匀性。最后,在现有的理论基础上,分析了半煤岩巷道的滑移机制,推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程,根据锚索的挤压承载和锚杆抗剪作用机理等阐明了软弱半煤岩巷道控制原理和支护要点,提出了以"顶板预应力长锚索+帮高刚度桁架锚索"为主体的"锚、网、索、梁"整体支护技术。支护试验表明:所提出的支护技术对于半煤岩巷道的控制效果较好,围岩变形在可控范围之内。     

不同煤层倾角锚杆支护巷道围岩受力特征物理模拟研究

为了研究煤层倾角变化对锚杆支护回采巷道围岩力学特征的影响,结合淮南矿区大倾角煤层开采地质和技术条件,应用自制相似材料模拟旋转试验架,建立了煤层倾角为0°,30°和45°的锚杆支护回采巷道的相似材料模拟模型,系统分析了不同煤层倾角锚杆支护回采巷道围岩应力、变形和破坏特征。随煤层倾角增大,巷道围岩应力分布和变形的非对称性特征更加明显;倾角越大,巷道围岩的整体稳定性越差。研究得出顶板、高帮和底板是大倾角煤层实体煤回采巷道围岩稳定性控制的关键部位,揭示了煤层倾角变化对锚杆支护巷道围岩力学特征影响的作用机理。工程应用表明,大倾角煤层回采巷道围岩稳定性控制的关键是根据巷道围岩非对称结构特点和围岩力学特征的非对称性,采用非对称锚网索组合支护,并不断改进支护材料、优化支护参数、加强施工工艺和质量管理。     

深井软岩巷道双套棚灌浆支护技术研究与应用

为解决深井软岩巷道变形大、支护难的问题,以盘江矿区某矿121213工作面运输上山为工程背景,进行深井软岩巷道变形破坏特征及变形破坏原因的研究,得出结论:高地应力、围岩遇水易膨胀变形及围岩承载能力难以发挥是造成巷道变形失稳的主要原因。针对性地提出了双套棚灌浆支护技术,设计一种"锚杆锚索+灌浆+双U型套棚"的复合支护方案,即在锚杆、锚索支护的基础上,在围岩外部两架U型棚之间进行高压注浆,强化围岩承载结构。现场监测结果表明:采用双套棚灌浆支护后,巷道顶板、两帮及底板平均变形速率分别为0.55,0.43mm/d和0.36mm/d,最大变形量分别为145,115,87mm,巷道变形量在可控范围内,有效地控制了深部软岩巷道收敛变形。