神角矿北采区停采线位置确定

以神角矿为工程背景,针对2~#煤层北采区大巷的变形破坏形态,进行了理论分析和数值模拟试验,对双侧大巷位于工作面前方的距离进行了讨论,并对2~#煤层大巷在采动影响下,双侧大巷位于工作面前方不同距离下对应的巷道围岩破坏区形态的形成与演化规律进行了研究。在现有巷间保护煤柱尺寸的基础上,根据双侧大巷位于工作面前方不同距离下破坏区的形态特征以及现场支护方案,确定的合理停采线位置为80 m,供该矿后续开采作业参考。     

塔拉壕矿软岩大巷支护参数优化研究

针对塔拉壕煤矿2煤大巷软弱围岩的条件,采用数值模拟对大巷围岩塑性区进行分析。结果显示顶板最大破坏深度1 m,帮部破坏不明显,结合理论分析对大巷支护参数进行了优化设计。工程试验表明:巷道最大位移量约10 mm,位移主要发生在顶板上方0~2 m,巷道能够保持稳定。     

采动巷道复合顶板离层破坏机理与预测方法

复合顶板产生的离层破坏对巷道顶板整体稳定性起着较大的控制作用,针对巷道离层破坏机理不明、难以预测等问题,以赵固一矿复合顶板回采巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法,揭示巷道复合顶板离层破坏机理,获取不同软弱岩层位置和不同应力环境条件下的顶板离层区分布特征.结果表明:采动巷道塑性区最大深度通常朝向顶板,形成深度较大的塑性破坏影响区,当塑性破坏影响区内含有软弱薄层,顶板深部软弱薄层即出现塑性压剪破坏,工程上表现为顶板离层现象.据此,提出巷道复合顶板离层破坏预测方法并开发配套系统软件,可为巷道复合顶板整体稳定性控制与冒顶预警提供基础依据.     

高应力条件下岩巷层位选择的数值模拟分析

某矿即将开采6煤,拟将6煤轨道大巷、回风大巷及运输大巷布置在其底板岩层中。为了确定大巷的具体位置,通过FLAC3D数值计算软件对巷道的具体层位选择情况进行模拟研究,分析了不同层位条件下巷道的围岩变形、塑性区分布以及应力分布情况,模拟结果表明将巷道布置在6煤底板9.0m厚的石英砂岩中,巷道的变形量最小,受力状态最好,有利于巷道的整体维护。     

孤岛工作面下方大巷围岩支护技术优化

为了解决孤岛工作面下方大巷围岩支护困难问题,基于弹性力学理论对巷道围岩受力进行分析,探讨了巷道围岩塑性区的影响因素,并分析了巷道半径对巷道围岩塑性区的影响,结合计算机数值模拟,对巷道围岩塑性破坏特征与支护技术优化展开研究,分析得出巷道围岩塑性区剪切破坏呈现"X"型特征,基于此,对原有支护方案进行优化设计,沿巷道正中及顶底板左右四角各增打1根长8 m的锚索,综合数值模拟分析与工业性试验监测,结果表明:巷道围岩支护方案优化后可显著降低巷道围岩应力及控制塑性区发育,围岩变形量最大为0.3 m;验证了优化支护方案的可行性,保证了巷道围岩的稳定,改善了孤岛工作面作用下,原支护方案效果需要反复维修,大巷持续变形的现状。     

褶曲区域层状岩体巷道围岩变形破坏异化特征与控制对策

针对褶曲区域巷道围岩变形剧烈、冒顶隐患严重、支护维护困难等难题,以赵固二矿二1煤层褶曲区域层状岩体巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法,分析了赵固二矿煤层巷道褶曲区域应力环境特征及其作用下的塑性破坏形态。结果表明:褶曲构造区域巷道围岩应力环境均会呈现极不等压特征,导致巷道围岩塑性区出现异化扩展,与传统理论所认为的圆形、椭圆形等塑性区形态有很大不同,巷道所处应力环境的应力集中系数、主应力比值、主应力方向旋转角度等参数越大,塑性区异化扩展越明显,巷道变形破坏程度、隐患冒顶高度也越大。据此提出采用对接长锚杆技术为主的支护系统,可以与顶板围岩协调变形并提供持续高支护阻力,现场应用效果良好,为褶曲区域巷道围岩稳定性控制提供了新手段。     

圆形巷道围岩塑性区的一般形态及其判定准则

巷道围岩塑性区形态决定了巷道围岩的破坏形式及破坏程度,以塑性区边界隐性方程为基础全面研究了圆形巷道围岩塑性区一般形态的变化规律。结果表明:在不同围压状态下均质围岩圆形巷道塑性区一般表现出圆形、椭圆形、蝶形3种形态。通过理论分析找到了3种形态的数学力学含义,并推导出不同形态下的判定准则。提出了塑性区形态系数的概念,推导出了形态系数的计算公式,利用其大小可判别塑性区形态特征。通过FLAC3D数值模拟方法验证了理论计算的正确性。研究成果可作为巷道稳定性分析、支护设计、冒顶灾害防治、冲击地压预测与防治、煤与瓦斯突出预测与防治等工程实践的理论依据。     

水力致裂和注浆加固综合控制技术研究与应用

基于某矿西翼胶带运输大巷受工作面回采扰动影响变形破坏严重现象,提出了水力压裂和注浆加固的综合控制技术。应用UDEC数值模拟软件模拟分析了水力压裂和注浆对巷道围岩变形、应力分布和塑性区大小的影响,并在现场巷道中进行了工业性试验。研究表明:水力压裂和注浆加固综合控制技术能够有效减少巷道受力和控制围岩变形,缩短巷道稳定时间。研究成果为以后类似条件下巷道支护设计提供了重要依据。     

煤层大巷群卸压加固一体化研究与应用

基于某矿东翼采区上山煤层大巷群受N2105工作面回采扰动影响破坏严重现象,提出了顶板致裂卸压与加固相结合的一体化防治思路。应用数值模拟方法研究了卸压对巷道围岩塑性区的影响规律以及对浆液扩散性能的影响规律。现场实测钻孔窥视和矿压观测结果表明:一体化技术能够很好地控制回采动压影响煤层大巷群围岩的稳定性。     

表面支护与围岩加固对大巷塑性区发育的影响研究

余吾煤业开采其西翼采区,巷道布置方案采用5条大巷并列布置在煤层中。但现场实测及实践结果表明,这5条大巷受放顶煤工作面开采扰动的强烈影响,巷道变形破坏较为严重。为进一步优化该矿巷道支护设计方案,采用数值模拟方式对比分析了锚杆(索)加固及表面支护对开拓大巷稳定性及塑性区发育的影响。研究结果表明,由于开拓大巷布置在厚煤层中,巷道顶板及左右两帮煤体裂隙发育明显,采用锚杆(索)支护不能有效降低塑性区的发展,而采用表面支护方式,可以减少开挖巷道的自由面,限制巷道围岩向开挖区域收敛,通过增加表面支护的强度可以有效降低该矿开拓大巷周围岩体中的塑性区发育。     

新掘主运大巷斜交穿越昌平运料巷综合掘进与支护技术研究

针对新掘主运大巷斜交穿越昌平运料巷交叉工程特点,采用ABAQUS数值模拟软件对巷道交岔点处塑性区分布范围进行了数值模拟分析,研究了不同强度折减系数条件下的交岔点围岩塑性区范围。根据交叉点围岩塑性区数值模拟结果,将主运大巷与昌平运料巷分成不同区段,并采用合理的掘进与支护技术,将锚网索喷与型钢支架动态叠加在一起。现场监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了交叉点围岩的变形与破坏,保证了围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

松软煤层巷道围岩变形特征及控制技术

针对松软煤层巷道围岩变形量大、支护结构破坏严重的难题,以华盖山104工作面运输巷为工程背景,在分析巷道围岩变形特征的基础上,采用数值模拟方法,研究了锚网索喷支护巷道围岩位移、应力和塑性区分布特征。研究结果表明,煤层强度低、胶结性差以及支护方式不合理是造成围岩严重变形的主要原因;锚网索喷支护巷道围岩塑性区范围较小,应力集中区位于深部,到巷道中心的距离超过6 m,并取得了较好的工程应用效果。     

裂隙带顶板巷道围岩破坏机理及稳定性控制

针对上行开采过程中顶板巷道支护困难的问题,采用UDEC离散元数值模拟软件对上行开采过程中采场采动裂隙、塑性区以及巷道围岩裂隙、塑性区发育进行了系统的研究和分析,研究结果表明:采动作用下顶板巷道围岩破坏以巷道顶、底板破坏最为明显,靠工作面侧的巷帮破坏次之。采场采动裂隙、塑性区发育与巷道围岩裂隙、塑性区发育在工作面的推进过程中不断相互吸引和促进,最终贯通。同时,当采动作用达到一定程度时,采动裂隙会以顶板巷道顶板为起点向上发育,而巷道肩角处塑性区向上产生畸形发展,其发育方向与采场覆岩断裂角一致,其发育高度远远大于未受采动影响的巷道塑性区发育高度。基于分析结果,提出了上行开采裂隙带顶板巷道支护策略,并以山脚树矿上行开采为工程背景对其顶板巷道原有的支护形式进行了改进,改进后的支护能够有效保证巷道围岩稳定。以上研究成果可为上行开采工程中顶板巷道的支护提供设计参考,丰富采动巷道围岩稳定性控制理论成果。     

基于偏应力场的巷道围岩破坏特征及工程稳定性控制

针对巷道围岩破坏机理及稳定性控制问题,采用岩石力学等相关理论推导了巷道围岩偏应力场的解析解,分析了圆形巷道围岩在不同情况下的分布情况,建立了偏应力场与塑性区分布的本构方程,表明塑性区半径与极坐标的角度和偏应力是密切相关的,可呈不规则分布;结合工程实际,采用数值计算模拟分析了垂直应力大于水平应力时(侧压系数λ=0.4)和水平应力大于垂直应力时(侧压系数λ=1.6)不同应力状态下的巷道围岩偏应力和塑性区演化过程;根据现场调查及塑性区演化特征,提出在不同侧压系数下巷道围岩可形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模式,并分析了这两种破坏模式的巷道围岩支护误区,以及相应的控制原则与关键技术。结合木孔煤矿和高坑煤矿的工程实践,应用了以"锚杆+锚索"支护为主,以提高两帮稳定性目标的"高强刚桁架"综合支护技术;以及以"关键部位注浆",发挥内、外耦合作用的"锚杆+U型钢+锚索"综合治理方案。工程实践表明,所提出的支护方案分别能对正对称失稳巷道和角对称失稳巷道围岩变形能起到较好的控制效果。     

基于修正Hoek-Brown准则的巷道围岩弹塑性解分析

利用考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则,结合巷道围岩塑性解的推导方法,进而获得较为准确的巷道围岩塑性区的范围以及支护变形量。通过理论推导了巷道围岩塑性区的半径和位移的表达式,得出塑性解与围岩初始二向等压应力、岩体质量、地质工程参数以及支护反力有关。结论为考虑中间主应力的Hoek-Brown强度准则更加适应巷道围岩塑性区分析过程,获得的结果更加准确,对工程实践有一定的理论指导意义。     

考虑流变和中间主应力的巷道围岩变形分区

考虑流变特性,将巷道围岩分为弹性区、塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区,并考虑围岩峰前应变硬化、峰后应变软化、扩容特性及中间主应力的影响;基于Drucker-Prager准则推导了各分区应力、位移和半径的封闭解析解,然后以实例为基础分析了围岩变形的影响因素。研究结果表明:中间主应力和围岩流变特性对巷道围岩位移和塑性区的大小均具有重要影响且中间主应力表现出强烈的区间性,在一定范围内提高中间主应力能够有效的控制巷道变形和塑性区的扩展。理论研究及工程实际中,若忽视围岩流变特性则无形中"高估"了围岩岩性,不利于巷道长期稳定性评估及支护设计参数的确定;合理运用中间主应力的Drucker-Prager准则,较Mohr-Coulumb准则更能保证工程实践的安全性。研究结果可为巷道围岩相关理论研究和工程设计提供借鉴。     

考虑流变特性的两向不等压巷道围岩塑性区近似解

针对巷道围岩受两向不等压地应力作用下的平面应变问题,分析围岩流变特性对其塑性区的影响。深埋巷道围岩因流变的发展而持续变形,其达到稳定后的峰值应力为一定围压下的长期强度。基于此,以皖北恒源煤矿-950 m进风井井底车场巷道为例,通过三轴压缩与蠕变试验测定了巷道岩石的抗压峰值强度、长期强度和残余强度。然后,考虑岩体峰后脆性软化特性将巷道围岩分为弹、塑性区,并从既有文献轴对称应力场塑性区公式出发,结合围岩总荷载不变的规律推导了两向不等压巷道围岩水平(及竖向)轴上的塑性区半径,再结合既有文献求解的塑性区形状,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区边界的近似解。该近似解在不考虑岩体峰后脆性软化时的结果与既有文献给出的相应解析结果完全吻合;并且轴对称应力场圆巷围岩塑性区半径的解析解是该近似解在侧压系数为1时的特例。最后,结合试验数据,就考虑岩体流变特性与否的两种情况进行了对比。结果表明:考虑流变,视岩石长期强度为围岩峰值应力,得到的塑性区范围与工程实际基本吻合;否则围岩仅产生弹性变形,与实际偏差较大。可见,岩体流变特性对围岩塑性区分布具有重要的影响,理论研究及工程实际中,忽视岩体流变特性实则无形中高估了围岩岩性,不利于巷道围岩长期稳定性与安全性的评估。     

弱胶结软岩地层相邻大断面巷道合理间距研究

基于相邻巷道开挖扰动和爆破振动对已有巷道影响的理论分析, 推导了相邻大断面巷道合理间距的确定公式。以麦垛山马头门硐室与主变电所巷道间距设计为依托, 利用数值方法计算变间距多个模型的开挖扰动影响, 以确定其巷道间距。研究结果表明, 麦垛山马头门硐室与主变电所巷道间距的理论计算值应不低于36.6 m;数值分析发现当巷道间距为40 m时, 马头门硐室与主变电所巷道中间围岩的应力场已接近原岩应力, 巷道围岩位移场与塑性区基本趋于对称稳定, 马头门硐室支护荷载与未受影响前基本一致。利用上述研究成果, 综合现场施工状况, 最终确定其间距为40 m。工程施工后硐室与巷道稳定, 验证了在软岩地层中该巷道间距设计的科学合理性。     

巷道顶板蝶叶塑性区穿透致冒机理与控制方法

针对高偏应力环境下层状顶板巷道冒顶事故频发、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法,揭示了层状顶板巷道蝶叶塑性区的分布规律,阐明了蝶叶塑性区穿透分布致使巷道冒顶的力学机制,结果表明：蝶叶塑性区具有隔层穿透发育的特征,未发生塑性破坏岩层的存在不能阻断蝶叶塑性区在软弱岩层形成;顶板蝶叶塑性区穿透分布伴有强烈的变形压力,使软弱岩层塑性区下位未发生塑性破坏岩层受到持续巨大的“挤压”载荷,致使其发生断裂破坏,是巷道存在冒顶隐患的内在原因。据此提出了防止此类巷道冒顶的关键在于维护塑性区围岩稳定,需锚杆(索)长度大于塑性区边界,且具备可承受大变形而不破断的能力。基于以上研究,对神东保德矿81306二号回风巷进行了支护补强设计和试验,试验结果表明该支护对策能够有效维持巷道顶板稳定。