深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律试验研究

深部超大断面硐室群因初始地应力高、断面尺寸大、硐室间距小等原因,控制难度很大。本文采用相似材料试验方法,以龙固煤矿井下煤矸分离系统硐室群为背景,设置3条超大断面硐室,利用数字散斑测试系统、声发射监测技术、应力监测系统等进行综合监测,得到深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律。结果表明:单一超大断面硐室开挖后围岩整体变形较小且呈对称分布,裂隙发育较少;相邻硐室开挖导致围岩变形呈非对称性,裂隙发育明显增多。上部硐室开挖后其围岩变形以底鼓和两帮收敛为主,下部硐室围岩应力集中和变形均有较大幅度减小,即对下部围岩应力集中起卸载作用,有条件时硐室群应优选"品"字形布置以有利于维护。硐室群开挖前后锚杆受力变化与围岩应力、变形近似呈正相关关系,不同部位受力差别较大,应根据硐室群不同部位特点针对性设计支护参数。本研究揭示了深部超大断面硐室群围岩破裂演化规律,可为其围岩控制设计提供参考。     

张家湾铁矿超大断面硐室群阶梯形布置安全间距的确定

地下选矿厂设计与建设中,超大断面硐室群的相邻硐室最小安全间距,影响着硐室群施工期间的结构安全和长期稳定。为此,以张家湾铁矿地下选矿厂阶梯形硐室群设计为例,针对20种硐室布置方案,以塑性区扩展贯通、关键点位移和应力曲线斜率突变为判据,采用FLAC~(3D)进行数值模拟,研究了不同硐室间距下2个相邻硐室间围岩塑性区扩展、位移场与应力场的变化规律。通过模拟计算与分析,得出相邻硐室的最小安全距离水平间距为硐室宽度的1.5倍、硐室底板高差为硐室宽的0.5倍。     

用数值模拟法选择深部采空区下大断面硐室位置

冀中能源股份公司邢东矿矿井采深大,-980水平下山采区深部的开采深度已超过1 200 m,地质条件复杂,断层构造带多,围岩压力大,巷道(硐室)支护、维护困难。深部采区排水系统(大断面硐室群)布置在工作面采空区下方,采用数值模拟的方法,使其位于采空区底板的应力降低区,围岩变形量在可控范围内,保证了排水系统的安全使用,为深部开采大断面泵房硐室的布置提供了新的思路与参考。     

井底大断面关键永久硐室围岩变形机理及其控制技术

为解决井底大断面换装硐室一次支护围岩大变形问题,基于成庄煤矿大断面硐室围岩地质力学条件和变形特征,采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法从大断面硐室围岩应力分布特点和支护承载结构稳定性两方面分析了大断面硐室围岩变形破坏的原因,并针对硐室围岩变形破坏的特征及其控制要求,研究提出在注浆原位加固提高原有锚网支护与围岩共同形成的支护承载结构完整性和强度的基础上,进一步采用全长预应力锚固强力锚索增强支护承载结构的稳定性的技术方案,对成庄矿井底大断面关键永久硐室进行二次加固。试验结果表明,巷道围岩变形量为8mm,底鼓为13mm,有效控制了硐室围岩的大变形。     

复杂岩层大断面硐室群围岩破坏机理及控制

针对复杂岩层巷道交叉点高应力集中区四周硐室群开挖围岩稳定性控制和支护技术等难题,通过对现场取样测试硐室群围岩物理力学参数、黏土矿物成分和松动圈大小,分析了赵庄煤矿三盘区带式输送机头硐室群及周边巷道围岩变形破坏特征和机理,表明硐室帮部煤柱和底板围岩是加固支护重点。利用FLAC3D数值模拟软件分析了硐室群开挖对硐室群及周边巷道围岩应力分布和塑性区分布范围的影响。基于理论分析和数值模拟提出了硐室及周边20 m范围内巷道围岩"强柱固底"的加固支护方案。现场工业试验表明,加固支护后,硐室群及周边巷道围岩变形得到了有效控制,围岩内部裂隙基本被浆液填充,60 d内围岩顶底板和两帮最大移近量分别为30 mm和50 mm,达到了理想的加固支护效果。     

特大断面硐室软岩变形机理及控制

为了有效控制王庄煤矿支架换装硐室围岩的变形破坏,分析了特大断面硐室围岩变形破坏机理.认为断面大、岩性差、二次应力高及支护参数不合理是围岩变形破坏的主要原因,并提出了“及时支护,高强、高预紧力长锚杆、注浆锚索、长锚索分层协调支护”的特大断面硐室支护技术.在王庄煤矿断面96 m2的特大断面支架换装硐室成功应用.     

高应力超大断面硐室围岩控制对策研究

针对深部高应力超大断面硐室围岩易失稳的问题,以红庆河煤矿设备换装硐室为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件分析了在低扰动掘进条件下超大断面硐室的围岩应力分布特征及变形规律,结果表明：高应力条件下,超大断面硐室塑性区范围明显变大,硐室帮部及底板相对于顶板更容易发生失稳,并提出强力一次全断面支护对策,底板锚索采用水泥灌浆实现全长预应力锚固。现场实践表明,硐室围岩稳定,变形量控制在30mm以内。     

不支护情况下不同断面尺寸硐室围岩稳定性数值模拟研究

以许疃煤矿3_238风巷地质条件为背景,运用FLAC3D数值模拟方法,分析该风巷不同断面尺寸硐室在硐室开挖后,在没有支护情况下的断面尺寸对硐室围岩稳定性的影响。研究表明:随着硐室断面尺寸的增大,围岩垂直应力峰值增大,且峰值位置不断向围岩深部转移;更大范围的围岩通过硐室开挖来释放应力,硐室两帮水平应力回升至原岩应力所需的距离越远。塑性区变化,主要发生在硐室上下方。在距围岩表面4 m深以内,顶底板围岩位移差异明显;帮部围岩位移则随深度增加,越发明显。     

深部高应力硐室群围岩应力分布及破坏特征模拟研究

以潞安集团李村煤矿为研究背景,在地质力学测试的基础上,采用FLAC~(3D)软件对深部高应力条件下硐室群的开挖进行数值模拟研究,分析围岩应力分布和破坏特征。结果表明:硐室群的开挖及相互扰动引起围岩应力集中和变形破坏,最终使得围岩局部失稳,处于亚稳定状态;煤岩体强度提高后,开挖造成的应力集中范围缩小,有效减弱各硐室之间的相互扰动,有利于维护硐室群的稳定性。现场试验表明采用合理的支护及加固技术能有效解决围岩变形控制的难题。     

地下选厂硐室开挖过程围岩应力动态分布特征分析

针对张家湾地下选矿厂开挖引起的围岩应力变化及相关力学问题,采用FLAC^3D数值分析方法,研究了阶梯形硐室群随开挖工作面推进的围岩应力场变化特征和主应力旋转变化特征。结果表明,围岩应力场的扰动主要集中在开挖工作面前后各约0.5倍硐室宽度范围内;开挖面前方硐室顶部和底部的偏应力高度集中,开挖面后方边墙部位的偏应力在一定范围内递增;主应力旋转主要位于工作面前方,但不同的初始主应力分布会导致不同的应力分布规律。     

深部临时水仓硐室群围岩偏应力分布特征与控制技术

以邢东矿二水平临时水仓硐室群为工程背景,采用FLAC3D模拟研究硐室群围岩偏应力分布规律及塑性区响应特征,探寻硐室群围岩偏应力分布与硐室群围岩稳定性支护的内在联系。研究结果表明：临时水仓硐室群开挖卸载后,在硐室群围岩中形成环状偏应力峰值区,其环状偏应力峰值区的范围及位置与硐室群围岩塑性区的范围及位置基本一致,且各硐室围岩偏应力峰值区内的高偏应力集中区与各硐室围岩塑性区的扩展区域相同。基于数值模拟试验结果得出,强力锚网索可在各硐室围岩中形成大范围锚杆-索预应力承载结构,并据此提出了该预应力承载结构范围应大于各硐室围岩偏应力峰值区范围的硐室群围岩支护原则。现场实践表明,采用强力锚网索和厚层U型混凝土联合支护,可保障临时水仓硐室群围岩的控制效果,满足其生产服务期间的使用要求。     

深部高应力硐室支护技术应用与实践

恒源煤矿-720 m水平变电所泵房由于该处巷道布置密度大,围岩应力比较复杂,各巷道施工时会相互扰动,造成硐室发生持续变形与破坏。为了控制深部高应力大断面硐室破坏,结合加固支护实例,提出了锚梁网喷一次支护,锚索、注浆二次支护的联合支护技术,有效地控制了硐室的变形,围岩稳定效果良好。     

深部大断面硐室动静载作用下锚固承载结构稳定机理研究

针对动载扰动条件下深部大断面硐室围岩锚固支护结构稳定性差、支护设计不合理等问题,以新巨龙煤矿井下煤矸分离大断面硐室为例,采用现场调研、理论分析和室内试验等手段,研究在深部冲击应力与高围岩应力叠加构成的复杂应力环境下大断面硐室围岩锚固支护结构损伤演化特征,构建动静载荷作用下深部大断面硐室围岩锚固承载结构损伤演化模型,获得深部大断面硐室围岩锚固支护结构破坏机理并对深部大断面硐室的围岩锚固支护设计提出合理建议。结果表明:1)深部冲击应力与高围岩应力叠加是大断面硐室围岩变形破坏的主要原因,在受到强动载冲击时,深部大断面硐室顶板、两帮锚杆(索)受损严重,很容易造成顶板大面积垮塌及帮部煤体突出;2)通过室内SHPB动态冲击试验获得了动静载组合作用下,加锚试件的强度和峰后回弹斜率均随着动态应变率的增大而升高,加锚试件对动载冲击能量的耗散能占比与动态应变率呈现出正相关的特性,锚固界面(锚固剂/锚杆、锚固剂/岩体)的黏结程度在锚固体对应力波能量耗散过程中起到了关键作用;3)深部大断面硐室锚固承载结构的失稳破坏是由于动载作用下硐室围岩、锚固剂和锚杆三者之间不协同变形造成的剪切滑移及锚固体受动载压缩变形导致的。提高硐室围岩、锚固剂和锚杆的抗滑移特性,增加锚固密度提高抗压缩变形能力可有效降低动载应力波对深部大断面硐室围岩支护结构的影响。研究成果对井下永久硐室及巷道的加固工程具有一定的理论指导和借鉴意义。     

深部大断面硐室围岩变形柱体力学模型及其应用研究

针对深部煤矿大断面硐室帮部变形剧烈、破坏失稳严重的现象,以新巨龙煤矿大断面煤矸分选硐室为研究对象,基于帮部初始变形的特点,建立大断面硐室帮部"柱体"力学模型,得到各影响因素与柱体初始位移和柱体拉应力之间的关系,分析深部煤矿地质开采参数对柱体初始位移和柱体所受拉应力的影响规律。结果表明:柱体初始位移、拉应力随埋深、侧压系数和应力集中系数增大而逐渐减小,随界面内聚力、岩体内摩擦角、界面内摩擦角和支护阻力的增大而变大。通过优化硐室布置方向与尺寸、减缓硐室附近的采掘应力集聚、控制顶板下沉、加固破碎围岩等技术手段,可提高大断面硐室的围岩稳定性控制效果。研究成果可为深部大断面硐室帮部稳定性控制提供借鉴和参考。     

深部硐室围岩破坏原因与稳定性控制技术

煤矿开采逐渐转向深部,深部硐室围岩大变形特征给硐室群稳定性控制带来很大难度。根据深部大断面硐室围岩力学特征及变形特性,通过地质条件分析、原岩应力测试、岩石微观组分分析,对深部硐室围岩破坏的影响因素进行了总结,以抗让结合的原则,提出深部构造复杂区域大断面硐室围岩稳定性控制对策。采用关键部位耦合支护控制技术+底脚锚杆+全断面锚索加强支护对深部大断面硐室进行强抗微让的强力支护方式,在葛亭煤矿230扩容泵房硐室成功应用,并对泵房硐室围岩收敛变形、锚杆索工况、离层进行了长期监测,围岩顶底板移近量仅12.5 mm,两帮内移量7.5 mm,锚杆索受力均匀,内外离层较小,完全满足矿井安全生产需要。     

深井高应力强膨胀软岩泵房硐室群稳定性控制对策

针对传统布置形式下泵房硐室群各关键部位的破坏,对其原因及主控因素进行分析,并提出相应的稳定性控制对策。结果表明:布置形式、埋深大、地应力高、特别是高的水平构造应力以及围岩黏土矿物含量高是传统布置形式下硐室群出现大变形破坏的主控因素;采用泵房硐室群集约化设计技术,结合锚网索+桁架+底角注浆锚管的耦合支护技术的综合应用,有效削减了硐室围岩的应力集中程度,提高了整体稳定性,有效控制了硐室群围岩稳定性。上述技术在孔庄矿-1020水平泵房硐室群支护工程中进行了现场应用,监测数据显示,控制效果良好。     

动压下大断面机头硐室支护

采用锚喷二次支护加强大断面皮带机头硐室的顶帮支护 ,并采用锚索和注浆加强硐室的底角及壁龛侧墙的支护 ,有效控制了硐室的收敛变形和底鼓 ,取得了较好的技术经济效果 ,值得在类似围岩条件下的巷道和硐室中推广和应用。     

超大断面硐室围岩变形破坏机理及控制

针对断面面积近100 m2的大采高支架换装硐室,采用现场观测、数值模拟等方法分析其变形破坏机理:硐室断面增大致使围岩破碎区、塑性区增大,超大断面硐室塑性区半径达到普通断面硐室的2.2倍;断面增大引起掘进扰动应力增高,而锚杆加固厚度小、初期支护阻力小致使软弱围岩严重变形破坏。针对支架换装硐室0~2.5 m的破碎区、2.5~8.0 m的塑性区,提出了分区耦合支护围岩稳定控制原理:硐室围岩由浅至深破坏程度逐渐减小,达到稳定所需支护强度逐渐减小,采用高强高预紧力"锚杆、注浆锚索、锚索"支护及"分区注浆加固"技术,可形成针对破碎区、塑性区和弹性区的3个相互联系的承载圈,从而满足各个分区支护强度需要,实现支护结构和围岩共同承载,保证围岩稳定。     

动压下大断面机头硐室支护

采用锚喷二次支护加强大断面皮带机头硐室的顶帮支护，并采用锚索和注浆加强硐室的底角及壁龛侧墙的支护，有效控制了硐室的收敛变形和底鼓，取得了较好的技术经济效果，值得在类似围岩条件下的巷道和硐室中推广和应用。     

深部采区车场硐室群围岩变化特征与控制技术

为了探究深部延伸采区硐室群围岩稳定性变化规律,以裴沟煤矿深部四二采区为地质背景,通过现场实际地质及开拓条件分析,建立了具有针对性的硐室群工程地质数值模型。通过数值模拟分析了硐室群开挖后不同地段围岩的水平应力、竖直应力、塑性区和位移等变化及分布特征,获得了硐室群开挖后由于多次重复扰动对围岩变形破坏非常明显。在此基础上,提出了相应的支护控制措施。