深部软岩巷道围岩稳定控制技术研究及应用

在对某深部矿井典型极软岩巷道矿压显现规律及特点长期现场观测结果分析和室内岩石成分及力学参数测试的基础上,分析并揭示了该矿井典型巷道围岩变形失稳机理。结合现场松动圈测试结果,针对该深部矿井典型极软岩巷道提出了初期采用主动柔性支护对破碎围岩力学性能“固”、中期预留变形量对高应力“卸”、后期采用全断面高强度和高刚度支护对其流变变形强“抗”的刚柔耦合动态加固技术。通过在该矿区集中胶带巷进行工业性试验,验证了该加固技术对深部极软岩巷道大变形具有很好的控制作用。     

深部高应力岩巷快速钻爆施工技术

在新汶矿区地应力测试结果的基础上,分析了深部高应力岩巷快速钻爆施工的难点。基于现代爆破理论、断裂力学、岩体力学,通过实施技术创新,采用CMJ17A全液压凿岩钻车代替传统风钻,提出新型岩石定向断裂控制爆破技术、双空孔楔形-筒形复式掏槽技术,形成了一套深部高应力坚硬围岩巷道快速钻爆新技术。工程实践应用表明,该套快速钻爆新技术,可大大减少钻孔数量以及支护和爆破材料消耗,提高炮眼利用率,改善巷道成形效果和围岩稳定性,提高循环进尺和掘进效率,实现平均月进尺122 m,最高月进尺155 m,达到了深部高应力岩巷“长进尺、高效率、弱扰动、少欠挖、小超挖”的快速钻爆施工目的。     

深井软岩巷道群掘进扰动效应与控制技术研究

在高应力作用下,巷道掘进时会对邻近既有巷道产生较大的扰动影响,引起先掘巷道围岩产生大变形而失稳破坏,且在反复扰动影响下深部软岩巷道群围岩稳定控制较为困难.以淮南矿区千米深井朱集西煤矿巷道群为研究背景,理论分析双圆孔及多圆孔周边的应力分布特征,计算得出巷道群间的理论间距.采用FLAC3D建立大型三维数值计算模型,揭示深部...     

不同侧压系数下深部软岩巷道稳定性分析及控制

针对深部软岩巷道围岩大变形、岩体破碎及支护体损坏等控制难题,研究了不同侧压系数下深部岩巷围岩响应特征及支护技术。以邢东矿1126工作面运料车场为工程背景,运用理论分析、数值模拟方法分析不同侧压系数下深部直墙拱形岩巷围岩应力、偏应力第二不变量和塑性区的分布特征,得出深部软岩巷道失稳机制为:开挖引起浅部围岩应力集中、较深部围岩高畸变能积聚→岩层剪切错动→高畸变能释放→扩容大变形。基于提高浅部围岩承载强度,并适度释放围岩高畸变能原则,提出密集长锚杆索+强金属网+二次喷浆的支护技术。井下试验结果表明,该技术能够有效控制深部软岩巷道的变形破坏,保证巷道稳定。     

南方复杂条件下的薄煤层开采巷道围岩支护问题及对策

针对复杂地质条件下南方薄煤层开采巷道出现的大变形与控制等问题,开展了一系列现场调查、理论分析和试验等研究。首先,分析了南方煤层地质条件、巷道变形特点和支护中存在的突出问题,同时进行了大量巷道变形的现场调研;然后,研究了薄煤层巷道变形破坏的影响因素和作用机理,主要体现在泥质岩类的物化膨胀与裂隙扩容、半煤岩巷道接触面滑移、水平构造应力挤压、工程扰动偏应力影响和高瓦斯孔隙压力弱化作用等;最后,阐明了复杂条件下薄煤层开采巷道的控制原理,强调应重视发挥巷道深部稳定岩体的承载能力,增强巷道围岩侧向支护作用,实现高阻让压和改善巷道围岩的整体力学强度等。提出了高强度自动让压桁架锚索支护系统和叠加拱“长、短”密集锚索支护技术,并分别进行了软弱半煤岩巷道的返修控制和松散煤岩体巷道支护技术的现场试验研究。监测表明,支护后的巷道围岩变形量都在可控范围之内,满足生产要求。     

深部高应力半煤岩巷变形机理及跨界高强支护技术

针对深部高应力半煤岩巷围岩变形持续时间长、变形量大及支护构件损伤破断等围岩控制难题,以渝阳矿N3702运输巷为工程背景,综合采用现场测试、理论分析、数值模拟和工程试验的方法,对半煤岩巷围岩变形机理和控制对策展开研究。通过巷道矿压监测与松动破坏范围测试,量化了半煤岩巷的矿压显现特征,揭示了半煤岩巷顶板泥页岩抗变形能力弱、锚索锚入坚硬硅质灰岩的深度较浅甚至未锚入、巷道所处高应力环境且其轴向近乎垂直于最大水平主应力是造成矿压显现剧烈的根源;基于自然垮落拱理论的成拱形态、锚杆组合梁和悬吊理论的组合压缩作用与悬吊作用,阐明了矩形断面巷道锚杆锚索支护时顶板低位“显形压缩梁”结构和高位“隐形压缩拱”结构的形成机制;在分析锚索锚固段所处位置岩性、自由段长度及锚尾施加预紧力大小对“梁-拱”锚固结构承载能力影响规律的基础上,提出了矩形断面半煤岩巷以锚杆配合锚索为主体支护构件的跨界高强支护技术方案,并开展了现场应用。实践结果表明：该技术有效地控制了深部高应力半煤岩巷持续变形,保证了围岩与支护构件的稳定与安全。     

深部开采的定量界定与分析

随着我国煤炭开采深度不断增加,“深部开采”将成为常态,但是什么是“深部”,如何定义“深部”,始终没有科学的、定量化的表达。提出了亚临界深度、临界深度、超临界深度等概念和定义,用于表征不同程度的深部开采。经研究“深部”不是深度,而是一种力学状态,是由地应力水平、采动应力状态和围岩属性共同决定的力学状态,可以通过力学分析给出定量化表征。研究表明,随着采深增大,原岩应力趋于静水应力状态是深部的1个典型和共同的特征,同时煤岩体也经历了弹性变形破坏、脆塑性转变和大范围屈服等阶段。深部开采中极高的地应力水平和三向等压应力状态将导致深部围岩大范围塑性破坏并伴随大量级、大规模的强烈动力失稳,现有的煤炭开采理论与技术已难以适用,需要对深部岩体力学、采矿科学理论进行新探索。     

深部高应力软岩巷道变形破坏特性研究

以济北矿区唐口煤矿为工程背景,基于巷道围岩地质力学测试,阐述了深部高应力软岩巷道的基本工程地质特征;基于Burgers流变模型的黏弹性理论分析,得到深部高应力软岩巷道围岩表面位移及位移速率的表达式,并利用数学软件Matlab绘制了不同原岩应力、弹性模量和黏滞系数的巷道围岩表面位移及变形速率随时间的变化曲线;采用FLAC3D模拟了深部高应力软岩巷道的流变特性,分析了在高应力作用下,软岩巷道围岩的顶板、底板和两帮的流变变形规律。     

深部高应力膨胀性软岩巷道锚注支护技术及相似模拟试验研究

针对唐口煤矿深部高应力膨胀性软岩巷道的变形特征, 通过对围岩物理力学性能的测试、围岩破坏机理分析和相似模拟试验, 提出了采用以锚注为核心的锚网喷注联合支护体系来解决深部高应力膨胀性软岩巷道的支护难题。监测结果表明, 锚网喷注联合支护既维持了巷道的稳定, 又提高了施工速度, 节约了支护成本。     

超挖锚注回填控制深部巷道底臌研究

以淮南矿区深部巷道条件为工程背景,采用数值模拟及现场实测的研究方法,对底板无支护巷道围岩应力分布特征、破坏场特征及岩层移动规律进行了深入研究,揭示了深部巷道底板围岩力学特征。通过分析多种措施治理深部巷道底臌效果,提出并实施了控制深部岩巷底臌的新方法--超挖锚注回填技术,即首先对底板下方一定深度的岩体超挖,然后对底板进行锚注加固,再回填强度相对较高的混凝土层,有效地改善了巷道底板围岩力学性质和力学状态。     

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。     

高应力软岩巷道围岩控制技术研究

以郑州矿区某矿地质条件为基础,针对该矿的高应力软岩巷道变形破坏特征进行分析,总结了该类巷道变形破坏原因,提出了高应力软岩巷道围岩控制技术,并进行了现场工业性试验,试验结果表明,该项技术能够有效控制高应力软岩巷道围岩变形.     

化学腐蚀下深部巷道高强围岩力学性能的实验研究

深部巷道复杂的地质条件是影响巷道围岩力学性能及其稳定性的重要因素.文章模拟深部巷道复杂的地下环境,配制了不同离子浓度和酸碱度的化学溶液,将岩样放置在上述溶液中浸泡,然后开展高强岩石的轴压实验.实验得到不同条件下的岩石强度和基本力学参数.实验结果表明,水浸泡、中性盐和碱性溶液对高强岩石的力学性能影响不大,而酸性环境对岩石的强度影响较大.另外,酸性越强,影响越明显;浸泡时间越长,影响越明显.     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点,首先分析了深部软岩巷道变形特征,采用FLAC^3D数值模拟软件,分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出,深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态,相互翻转和滑移,岩体的模量和强度低;随着巷道埋深的逐渐增加,巷道围岩应力集中系数逐渐减小,巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大,塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

金川矿区深部高应力破碎岩体巷道支护技术研究及应用

针对金川矿区深部高应力破碎岩体巷道围岩变形量大、支护难、使用周期短等特点,基于以往巷道围岩变形破坏特征,从工程地质条件、地应力特征、采动影响等三个方面,分析了深部高应力破碎岩体巷道变形破坏原因。针对典型的巷道破坏特征与工程地质条件,提出了四类相应的新型支护方案,分别开展了现场工业试验;通过巷道围岩收敛变形监测,验证新型支护形式的支护效果。结果表明,新型支护形式有效地控制了深部高应力破碎岩体巷道围岩变形,实现了维护巷道围岩长期稳定的目的。     

火成岩侵入体不规则性及巷道围岩压力显现规律研究

侵入煤系地层的火成岩,其发育特征及赋存形态表现出有别于沉积岩层的不规则性,受此影响,沿火成岩侵入体顶板下掘进的煤巷,其围岩应力分布复杂,压力显现程度不一,局部围岩长期变形难以自稳,给巷道的支护及后期维护带来极大挑战。针对这一情况,从火成岩侵入层位、侵入体顶板形态两方面分析了火成岩侵入体顶板的不规则性,归纳出不规则火成岩侵入体顶板的发育原理、表面形态及岩性物理特征,在此基础上,结合工作面现场围岩破坏特征,利用Flac 3D数值模拟软件模拟多类不规则火成岩侵入体顶板条件下巷道围岩应力分布情况,分析总结出不规则火成岩侵入体顶板条件下巷道围岩压力显现规律。研究结果表明,顺煤侵蚀火成岩顶板下巷道围岩两帮较沿直接顶层间侵入火成岩顶板条件下压力显现更强烈,围岩更易遭受破坏。     

孤岛工作面回风巷围岩控制与支护技术

以鹤壁四矿2604孤岛工作面回风巷为研究对象,采用FLAC3D模拟了巷道围岩的垂直应力,得出了巷道垂直应力与围岩深度的关系曲线。围岩垂直应力峰值点位置相差较大,顶板和采空侧围岩深部垂直应力趋于一定值,煤柱边缘垂直应力较小。针对围岩破碎,顶煤厚度大,提出了高强高预紧力锚杆与斜拉锚索梁结构联合控制技术,使浅部围岩与深部围岩形成统一的承载结构,矿压观测结果:顶底板相对移近量为215mm,两帮相对移近量为157mm,顶板离层量为35mm,为类似条件下的巷道支护提供借鉴。     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。     

卸压槽在高应力构造带软岩巷道围岩控制中的试验研究

应用卸压槽维护巷道,煤体在局部范围内充分卸压,使巷道的围岩应力向煤体深部转移,改变巷道围岩应力场的分布状况,使之处于应力降低区内,减缓了矿山压力对巷道的有害影响,从而保护了巷道.井下试验表明:卸压槽能有效减小围岩移近量,减轻矿压对巷道的有害影响,有利于巷道保持长期稳定,具有较好的应用效果.     

深部离层断裂型工程软岩巷道支护技术研究

深部巷道埋藏深度大,地质构造复杂,应力组合作用效应明显,煤矿深部开采巷道围岩控制成为制约安全高效生产的主要因素之一.本文通过分析深部巷道围岩特性及力学环境,从围岩对巷道工程支护对策选择及方案设计思路的影响出发,对围岩进行分类,提出相应支护对策.支护效果监测结果表明,高强锚网索+梁(带)联合支护技术能保证深部复杂高应力离层断裂型工程软岩巷道的安全稳定,取得良好效果.