深部巷道组合钢架合理支护间距数值模拟研究

为确定深部巷道组合钢架合理支护间距,有效控制深部巷道围岩变形,提高巷道施工机械化水平,以焦作煤业集团赵固(新乡)能源有限责任公司赵固二矿11071工作面回风巷为研究背景,采用三维有限差分软件对深部巷道6种支护方案的围岩变形、应力和塑性区分布进行对比分析.结果表明:深部巷道围岩变形和塑性区分布受围岩局部让压效应影响显著;在巷道拱顶、拱底以及两帮与底板交接部位均易出现应力集中现象;巷道开挖引起的岩体破坏以剪切破坏为主.根据数值模拟试验得出了深部巷道组合钢架合理支护间距,优选出的最佳支护方案可以减缓围岩变形,改善围岩应力状态,减少围岩塑性破坏范围,从而提高深部巷道围岩的稳定性.     

深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析

综合考虑巷道破坏特征及典型软岩应力应变曲线特征,对深部巷道松软围岩进行破坏分区,提出了适合破坏分区的四线段本构模型,建立了深部大规模松软围岩巷道应力分析的力学模型,推导了不同破坏分区应力解,得出了界定各破坏分区范围的表达式,结合具体工程验证了巷道破坏分区划分的正确性和合理性.研究表明:深部松软巷道围岩自巷道向外分别为塑性流动区、应变软化区、塑性硬化区和弹性区4个分区,各分区临界应力满足Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区的范围随支护阻力、应变硬化系数、应变软化系数以及内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大;各分区范围的理论解能够有效指导支护设计,实现对深部大规模松软围岩巷道的长期稳定.     

不同岩性巷道岩爆灾变特征模型试验研究

为了深入认识深部巷道中岩爆的发生机制,研发了配备弹性储能模块的岩爆模拟试验系统对含预制圆形巷道(Φ=50mm)4种岩性模型(175mm×175mm×200mm)进行试验,通过调整初始应力水平和加载速率再现了不同岩性巷道岩爆事件.试验过程中利用高速摄像系统对巷道围岩破坏全过程进行实时监测和记录,结合破坏特征对巷道岩爆的发生过程和机理进行了分析和探讨.研究结果表明:巷道的破坏过程中均包含静力破坏、动静混合破坏、动力破坏3种形态,3种形态在破坏全过程时间轴上的显现阶段和显著度不同.对4种岩体岩爆破坏过程进行了阶段划分,揭示了不同力学性质岩体岩爆孕育发生的机制,分析岩爆发生的时间和空间分布特征,发现岩爆体外来能量的补充是岩爆发生的必要非充分条件.冲击倾向性指标R1强度低弹塑性力学特征岩体的岩爆灾变过程的重现,为具有高支护强度的低强度松散煤体巷道冲击型岩爆灾变发生过程和机理的研究提供了新的认识,提出软弱(松散)岩体岩爆研究应以"围岩结构体"为研究对象.弹性储能模块的研发及研究成果为深部地下工程岩爆机理的研究提供了新的思路和认知.     

深部巷道围岩间隔性区域断裂研究

深部巷道围岩间隔性区域断裂现象,与浅部围岩破裂状态有显著不同,用浅部岩体力学的弹塑性理论不能很好的解释这一现象．采用能量平衡分析方法,研究了深部巷道围岩间隔性区域断裂结构的形成机理,分析了岩石形成这一有序结构的过程,并给出了结构的序列关系．结果表明：深部巷道围岩断裂位置不出现在巷道周边,而出现在围岩内部的弹性能分布不稳定极值点处;深部巷道围岩间隔性区域断裂是深部岩体在高地应力作用下由开挖卸载引起的一种自然响应,岩石力学性质的非稳定性是巷道围岩出现这种断裂的自身原因;深部巷道围岩间隔性区域断裂序列关系跟巷道半径、围岩所处的应力状态、围岩的黏聚力和内摩擦角有关．     

深部巷道围岩控制的关键技术研究

针对深部煤炭赋存条件复杂、巷道矿压显现日趋激烈,相当一部分巷道布置在岩石松软、变形剧烈的岩体、煤体或半煤岩体中,深部巷道"失稳"普遍存在的突出难点进行研究.文中阐述了深部巷道围岩控制的两个突出难点:底鼓和蠕变,针对性地提出了相应的控制技术——通过加固底板和巷道帮角控制底鼓,采用合理的一次支护和二次支护来实现巷道的长期稳定.研究结果表明:依据深部巷道底鼓的"两点三区"变形特征,底板锚杆、注浆孔深度应深入底板岩层"零位移点"以下,配合帮角加固有效控制深部巷道底鼓;采用合理的一次支护和二次支护保证锚固端提供的径向应力大于巷道蠕变所需的径向应力,使巷道变形速度维持在0.02mm/d左右,保持了巷道围岩的长期稳定并取得良好的效果,对保证深部煤炭资源安全开采具有重大意义.     

破碎围岩梯度支护模型及分级控制研究

针对深部巷道大变形难控制问题,基于深部巷道围岩梯度破坏机理及巷道等强支护理论,进一步提出了围岩梯度支护分级控制原理和屈服破坏判据.针对巷道围岩破碎区,采取锚杆和高强水泥材料加固控制;对围岩塑性区,采取锚索和纳米基水泥材料控制,由此实现基于梯度破坏机理的巷道围岩分级三维承压壳控制.研究结果表明：破碎半径、支护强度以及加固厚度对梯度支护模型的敏感度较大,当r=R₁和r=R_p时,基于围岩梯度破坏的梯度承压壳发生屈服破坏的极限强度分别约为25和15 MPa;理论分析验证加固后的梯度承压壳可以实现破碎区边缘和塑性区围岩的恢复,理论得出最好状态分别能近似恢复至初始状态的52%和95%左右.梯度支护模型和分级控制方法在一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导.     

巷道围岩应力空间分布仿真分析

为得出巷道围岩应力空间分布特征,以圆形断面巷道为例,采用复变函数方法得出其应力解,并把映射空间解转化为巷道所在空间解后对巷道周围岩体应力场进行仿真分析,得出了巷道周围岩体应力场分布直观图,可方便直观的了解巷道围岩任意位置应力分布情况。并考虑不同半径、不同侧压系数对围岩应力场的影响,得出了：圆形巷道围岩应力峰值及其出现方向与半径无关;侧压系数小于1/3时,顶底板开始产生拉应力,大于3时两帮围岩开始产生拉应力;以及环向、径向、剪切应力及最大、最小应力的变化规律。     

特厚煤层综放工作面变宽煤柱段巷道掘进期间围岩矿压显现特征分析

为了掌握大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿特厚煤层综放工作面变宽煤柱段巷道掘进期间围岩变形破坏特征,采用现场实测、数值模拟及理论分析方法,分析了变宽煤柱段巷道掘进期间围岩矿压显现规律,研究了变宽煤柱段巷道围岩应力场及煤岩体能量分布特征,揭示了特厚煤层变宽煤柱段巷道掘进期间巷道矿压显现机理。研究表明:特厚煤层变宽煤柱段巷道掘进期间伴随有声响、震动、冒顶、片帮等强矿压现象,主要发生在煤柱宽度22.4～47.9 m段;侧向应力及煤体能量集中分布于距采空区边缘30～40 m处,呈"带"状分布,随着煤柱宽度的增大,巷道围岩侧向应力及围岩积聚的能量曲线表现出先增后减的趋势,在煤柱宽度约35 m时应力和能量均达到最大值,分别为24.27 MPa和7.29×10~5 J;巷道掘进使砌体梁结构的力学平衡状态受到破坏,引起围岩应力的快速动态调整,当煤岩体中的静载荷与采掘活动引起的动载荷叠加值超过煤岩体的承载极限时,煤体中集聚的大量弹性应变能以动能形式释放从而引起巷道矿压显现。     

非连续岩体破裂机理及其工程稳定性研究

本研究为应用基础研究,以解决工程实际问题为目的,以围岩中客观存在的破裂区为主线,从对地下工程稳定性问题的评价入手,以相似材料模型试验和数值模拟计算为基本手段,以断裂力学为基础,研究了断续节理岩体的细观破坏机理、宏观破坏过程及其对围岩破裂区和围岩碎胀变形的影响规律;研究了断续节理岩体中围岩破裂区的性质、破裂区与地下工程稳定性的关系等问题,提出了以围岩破裂区和围岩收敛量作为判定围岩稳定性方法,为采矿工程的设计、施工和生产提供了较为可靠的决策依据.本文获得以下主要结论:1)围岩破裂区是一个综合数量指标,采用以围岩破裂区厚度作为围岩稳定性评价的指标.2)采用数字照相变形量测方法来测量围岩的变形,较好地解决了平面应变模型试验中的变形量测问题,符合非接触变形量测的发展趋势.3)断续节理岩体的破坏机制为:在集中应力作用下,节理端部岩桥首先发生张拉破坏,新生的岩桥裂纹与邻近原生节理相互串通,最终形成阶梯状滑移面而使岩体强度丧失.4)当节理两端的次生裂纹扩展长度l=h/sinβ时,节理岩体将产生贯通破坏.5)在节理岩体中,围岩破裂区是由于新生裂纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯通裂隙所致,断续节理贯通破坏的边界可定义为围岩破裂区的边界.6)通过相似模型试验发现,当节理密度大时,围岩破裂区会跨越相邻节理;反之,节理对围岩破裂区的扩展有阻隔作用.7)围岩收敛速率的第一次突然增大,预示围岩中已产生破裂区,而围岩收敛速率的每一次突然增大,意味着围岩产生了剧烈的破坏.8)当节理角度在30°～75°之间时,节理角度对岩体强度的影响较大,并且在60°左右时岩体强度最低,稳定性也最差.9)当巷道的收敛量达到或超过2.5%时,巷道围岩中将产生破裂区;当巷道的收敛量达到或超过5%时,巷道将发生冒顶事故,已处于失稳状态;当巷道的收敛量达到或超过22.8%时,巷道将完全毁坏,并失去了人工稳定的可能.     

深部软岩巷道围岩变形分析与控制

针对某深部软岩巷道支护困难问题,首先对围岩进行力学性能试验,然后利用有限元分析方法,在基于不同埋深软岩巷道围岩变形特征研究的基础上,从巷道开挖和围岩支护两方面对深部高地应力软岩巷道围岩变形与控制进行深入研究.结果表明:随软岩巷道埋深增大,巷道围岩变形呈线性增大趋势;在深部高地应力下掘进巷道时,全断面开挖法围岩变形最大,...     

深部巷道围岩控制的有效途径

针对煤炭开采逐渐由浅部转向深部,提出在深部复杂的力学环境下,岩体力学行为和工程响应条件下深部巷道围岩控制的有效方法.文中确定了影响巷道围岩稳定性的因素,分析了各影响因素对巷道围岩稳定性的影响规律,认为改善巷道围岩应力状态及围岩力学性能、合理选择巷道支护形式和提高其支护阻力以及优化巷道断面等为深部巷道围岩控制的有效途径.现场应用结果表明:巷道首选在时空上避开高应力作用,底板掘卸压巷可使巷道变形量控制在20mm以内,上行开采改善了深部巷道应力环境,工作面推进速度由48 m/月提高到90m/月左右,巷道迎头超前钻孔卸压后巷道顶底板移近量减小了900mm;采用高强、高预紧力、高延伸率锚杆(索)支护系统配合合理的注浆加固参数,有效提高巷道围岩强度,巷道围岩变形量降低40%以上.另外,尽量选择弧形断面,壁后充填等措施,实现支护体均匀承载,提高支护阻力.     

锚固巷道围岩结构动态响应规律研究

针对冲击矿压显现主要发生在巷道的现状,运用理论分析、数值模拟及工程实践等方法,研究了P波作用下锚固巷道围岩与锚杆动态响应规律.结果表明:巷道迎波侧与侧向位置是重点支护位置;应力波作用是迎波侧围岩变形的主导因素,迎波侧锚杆轴应力先小幅下降而后迅速增大,最后稳定在峰值,而主次承载结构不同的动态响应是侧向位置围岩变形的主导因素,侧向位置锚杆轴应力呈"双峰"特性;结合现场分析了围岩层裂垮落与锚杆冲击拉断两种典型的破坏类型,并从改善支护参数和煤岩体强度弱化两方面提出了防冲建议.     

高应力回采巷道围岩破裂机理及危险性评价

用弹塑性力学中的复变函数方法求解了巷道围岩的应力函数,研究了高应力回采巷道围岩破裂机理,提出了用危险函数来评价巷道围岩破裂的危险性和确定滑移面分布特征的方法.结果表明:对一定特定内摩擦角(φ0)的巷道围岩,只有当q/C≥4.1156e0.0606φ0时,巷道围岩才会出现破裂区.当15°≤φ0≤23°时,围岩裂隙向巷道表面及深部两侧方向扩展而形成一定范围的破裂区;当23°<φ0≤60°时,围岩承载能力升高,围岩裂隙由巷道表面向巷道深部方向扩展.在工程实践中,此方法有效控制了围岩的变形.     

应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究

通过对巷帮围岩的受力特点分析,揭示了巷帮层裂结构形成的原因,并利用板的稳定性原理推导了应力波作用下层裂结构稳定的临界应力.并采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、巷道埋深对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征.结果表明:给定应力波强度条件下(pmax=15 MPa)巷帮围岩层裂破坏结构的形成与巷道的埋深有关,若H＜500 m,即可避免层裂结构的形成.当H≥500 m时,随着埋深的增加,巷帮层裂的范围有增大趋势,使得层裂结构失稳时,释放能量加大,向巷道内涌出的岩体量增加,预示着发生冲击矿压的强度变大.     

深部巷道围岩卸压协调控制技术

为解决深部高应力巷道围岩支护难维护问题,综合采用现场实测、数值计算、理论分析及工业性试验等方法,基于深部巷道钻孔卸压机理、钻孔参数确定方法及卸压钻孔与支护结构作用关系的分析,提出深部巷道围岩卸压协调控制技术,包括一次让压、钻孔卸压和二次高强锚注支护等3方面:一次让压支护使围岩产生恒阻变形,降低卸压引起的支护结构非协调受力;钻孔卸压的作用是转移巷道周边高应力,补偿围岩变形,减小巷道径向收敛;二次高强锚注支护为卸压协调控制技术的核心,目的是控制卸压后破碎岩体的后期蠕变。工程应用效果表明,该技术可有效控制深部巷道围岩大变形,具有一定的推广应用价值。     

深部高水平构造应力巷道围岩稳定性分析及控制

以邢东矿副暗斜井坡底段巷道为工程背景,采用数值模拟、井下试验及现场实测等方法,研究高水平构造应力巷道围岩响应特征及控制技术.结果表明:1)随着侧压系数增加,顶底板偏应力峰值线性增长,帮偏应力峰值先增加后恒定,且存在峰值深部转移现象,偏应力峰值增加量由大到小为:顶板(23 MPa),底板(18 MPa),两帮(12.5 MPa),拓展深度由大到小为:顶板(4.8m),底板(4.0m),两帮(1.6m).2)围岩表面位移与侧压系数近似指数增长,表面位移增加量由大到小为:顶板(901mm),两帮(849mm),底板(784mm),主要变形范围由大到小为:两帮(4.4m),顶板(3.0m),底板(2.8m);3)顶板底板破坏深度与侧压系数呈正比例增长,帮部破坏深度变化不大,破坏深度由大到小为:顶板(6.0m),底板(5.6m),两帮(3.0m).深部高水平构造应力巷道失稳机制为:开挖引起高偏应力→岩层剪切错动→膨胀大变形/支护系统损毁,并提出"高强度高预紧力长锚杆+大直径高强锚索+U型钢可缩性支架+壁后注浆"的综合控制方案,阐述了其支护机理.     

回采巷道锚杆支护两帮稳定性分析

根据巷道围岩应力变化特点结合锚固体变形破坏的相似材料模拟试验,分析了巷道两帮锚固体的变形破坏特征,指出锚杆支护巷道两帮表面主要发生张性破坏,锚固体内部发生剪切破坏,据此建立起回采巷道锚杆支护两帮稳定的分析模型,提出了两帮稳定的判别准则,即锚固体中锚杆的拉应变必须小于锚杆的允许拉应变,在巷道两帮围岩较松软时,还必须满足巷道周边位移值的要求.     

含水砂岩巷道破坏细观机理及锚注强化支护研究

针对特定含水砂岩巷道非稳定蠕变、大变形问题,采用实验室试验、细观分析、理论研究和现场实测的方法,对巷道围岩软化动态响应、变形特征与失稳细观机理进行了深入研究.结果表明:巷道围岩细观颗粒崩解的根本原因为浸水-失水干湿循环与裂隙发育的动态响应;富含水、断层、原支护不当以及软化作用向深部蔓延的反馈效应等是引起含水砂岩巷道失稳的内在机理.在此基础上提出了破坏区锚注强化原理,制定了以注浆强化为基础、高预紧力锚杆支护为核心的锚注强化支护方法,并在王庄煤矿得到了成功应用.工程应用结果显示巷道修复仅13 d即进入变形稳定阶段,且最终变形量小于100 mm,有效地解决了巷道长期流变、大变形难题.     

深埋圆型巷道围岩变形规律的透明岩体试验研究

借鉴透明土技术,采用自行研制的透明岩体实验装置进行岩体物理模型试验研究,分析了无构造应力作用下深埋圆型巷道围岩内部变形破裂的演化规律.结果表明:随着巷道埋深的增大,圆型巷道顶底部围岩沿着巷道两侧拱腰斜向上32°~34°的2条弧线向巷道内发生滑动,从而导致巷道失稳破坏;当荷载达到一定值时,巷道围岩将发生软化现象,岩体变形速率开始急剧增大,巷道表面将在左上、右上、左下和右下4个角部区域产生最大收敛;巷道围岩的破裂发展在加载过程中大致可分为未破裂、裂纹开始出现、上下裂纹开始交汇、裂纹开始交错贯通、裂纹大幅交错贯通、裂纹偏转压密6个阶段.     

高地应力巷道断面形状优化数值模拟研究

选取矩形、直墙半圆拱形、马蹄形、三心拱形、圆形和椭圆形6种巷道断面形状开展优化研究.采用FLAC5.0数值模拟软件研究了几种典型断面在岩体中开挖后巷道围岩塑性区分布、围岩主应力差分布和围岩变形特征,分析了不同侧压系数λ对它们的影响,在此基础上提出了巷道支护"等效开挖"的理念和"无效加固区"的概念.断面形状对高地应力巷道围岩主应力差分布影响不大,但等效开挖半径决定围岩塑性区分布,无效加固区越大,在巷道周边产生变形就越大,反之亦然.高应力巷道应根据λ的大小和主应力方向选择合理断面形状是圆形或椭圆形.