复杂应力条件下不同锚杆支护的巷道稳定性

以金川集团三矿区1 110 m分段掘进巷道为工程背景,为解决巷道破坏严重、返修率高的难题,采用FLAC^3D数值模拟软件,对涨壳式中空预应力锚杆和全长砂浆锚杆的支护效果进行了数值分析,比较了2种锚杆支护在最大水平主应力与巷道轴线呈不同夹角或相同夹角、最大水平主应力大小不同等条件下的巷道变形、围岩应力场、塑性区以及应力集中系数的差异。通过与现场试验数据进行对比,发现采用涨壳式中空预应力锚杆支护的巷道,在控制巷道两帮位移方面,其效果要好于全长砂浆锚杆支护的巷道;采用了涨壳式预应力锚杆支护的巷道周边受力更加均衡,有利于巷道的长期稳定,能延长巷道的维修周期,降低巷道返修率。     

采动巷道围岩塑性区理论分析与支护对策研究

基于弹塑性理论,引入垂直动压系数与水平动压系数2个参量,建立了采动圆形巷道围岩力学分析模型,导出了其塑性区边界隐形方程,探讨了采动巷道围岩塑性区几何分布形态,提出了考虑塑性几何分布形态的采动煤巷围岩实用支护对策。研究发现:随着垂直主应力动压系数D_(vert)的逐渐增大或水平主应力动压系数D_(lev)的逐渐减小,塑性区的几何分布形态由圆形→椭圆→圆角矩形→蝶形发展,且垂直主应力动压系数D_(vert)越大或水平主应力动压系数D_(lev)越小,巷道围岩更易产生蝶形塑性区,蝶叶的发育尺寸和范围更大;采动巷道围岩主应力方向发生变化,其蝶叶也会产生不同程度的旋转,当蝶叶塑性区最大深度处于巷道顶板正上方时极易发生冒顶,需要进行加强支护。     

巷道支护中锚固段位置对深部围岩塑性区的影响

本文以江西曲江矿区212工作面风巷为研究对象,基于3DEC数值模拟软件,结合理论分析,研究了不同支护方式对巷道稳定性的影响.研究结果表明:(1)锚杆锚固段位置能够影响巷道围岩塑性区范围.当锚杆(锚索)锚固段处于弹性区时,锚杆(锚索)对巷道围岩塑性区扩展的控制效果良好;而锚杆(锚索)锚固段处于塑性区内时,锚杆(锚索)不能有效的控制围岩塑性区扩展.(2)围岩塑性区范围与巷道变形量存在相对一致性,塑性区范围越大巷道断面的变形量越大.(3)在巷道支护中单纯使用锚杆支护无法有效控制围岩变形,为达到控制巷道围岩稳定的目的须使锚杆(锚索)充分发挥锚固作用,将锚固段置于弹性区内,应采用锚杆锚索耦合支护.     

非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程及应用

由于双向非等压应力条件作用下的圆形巷道弹塑性问题求解难度较大,目前难以得到精确解析解。基于Mohr-Coulomb强度准则,将Kirsch解代入塑性条件中研究了非等压应力条件下圆形巷道围岩塑性区近似边界方程、分析了塑性区影响因素及形成力学机制。结果表明:侧压系数影响塑性区形态,原岩应力方向影响蝶形塑性区蝶叶方位,巷道半径与围岩岩性对塑性区形态均没有影响,但对塑性区的发育深度起着决定作用;侧压系数不等于1时,最大主应力方向不再平行于巷道切向,最小主应力方向不再经过巷道中心位置,引起围岩剪切破坏方向发生变化,而塑性区的扩展受控于最大剪应力的分布,此时塑性区形态偏离圆形;剪应力峰值点曲线与塑性区边界均随侧压系数变化而发生变化,但塑性区边界总是位于剪应力云图中最大剪应力峰值位置,且侧压系数越小主应力方向变化越大,塑性区不规则形态越明显;该求解方法没有考虑塑性区对弹性区应力的影响,属于近似求解法,但塑性区形态、发育规律与数值模拟结果相一致,并对解决工程问题具有指导作用,说明该塑性区边界方程近似解法是可信的。通过该近似方程能够掌握巷道围岩塑性区发育扩展规律,依此提出的可接长锚杆支护技术能够有效解决深部巷道锚杆易随顶板整体下沉、锚索破断引发的冒顶问题,较好的消除了冒顶隐患。     

不同最大水平主应力方向下巷道的锚杆支护技术研究

根据李雅庄矿六采区3个测站的地质力学测试结果,计算得出六采区主要回采巷道的轴线与最大水平主应力的夹角为32°,47°和59°;利用数值模拟的方法分析了上述3种最大水平主应力方向下巷道围岩应力与变形特征;分别提出了锚杆支护方法;根据井下监测资料分析了巷道的变形和破坏情况。结果表明通过合理的锚杆、锚索支护可满足不同水平主应力方向下巷道的支护要求。     

北岭矿煤巷锚杆支护数值模拟分析

为得出北岭矿煤巷锚杆支护的最佳方案,综合考虑锚杆锚索间排距对支护效果的影响,采用FLAC3D分析软件对5种不同间距和5种不同排距支护方式进行模拟。以巷道的塑性区分布、巷道围岩的水平应力分布和垂直应力分布及巷道顶底板的位移量作为巷道支护效果依据进行分析。结果表明:合理的锚杆、锚索支护可以有效防止塑性区扩展、有效保护顶板完整性,围岩破坏次数及破坏形式随锚杆(索)间排距不同而不同;增加支护密度可以使围岩避免出现拉应力,提高围岩承载力;合理的锚杆、锚索间排距能有效控制巷道顶板下沉量。     

大变形回采巷道蝶叶型冒顶机理与控制

大变形回采巷道冒顶控制问题一直以来是制约煤矿安全高效回采的重大难题,根据巷道围岩蝶形塑性区理论,以保德矿大变形回采巷道围岩非均匀破坏为背景,分析了回采巷道采动应力场的非均匀演化规律及其作用下的塑性区形态特征。研究表明:1高偏应力环境下巷道围岩塑性区会呈现蝶形分布,蝶形塑性区具有方向性,蝶叶位置会随着主应力方向的变化而改变;2受采动影响后,回采巷道围岩中会产生较大偏应力,且最大主应力方向向回采工作面一侧发生倾斜偏转,使蝶叶位于巷道顶板;3顶板蝶叶内岩石遭到严重破坏,同时伴有巨大膨胀压力和强烈变形,当锚杆(索)不能承受蝶叶内围岩重量时,巷道便发生蝶叶型冒顶。提出采用接长锚杆控制大变形巷道蝶叶型冒顶的方法,现场应用效果良好,为大变形回采巷道冒顶控制提供了新手段。     

确定交叉巷道锚杆支护参数的围岩平均应力集中系数分析方法

大跨度交叉巷道多采用锚杆支护,支护后巷道周壁应力分布的均匀程度可以作为评价支护参数合理性的指标。将支护后巷道周壁某一点大主应力与周壁大主应力均值的比值定义为围岩平均应力集中系数,用该系数表征巷道围岩的应力分布均匀程度。以某铁矿交叉巷道为研究对象,根据矿山工程条件及均匀设计试验方法,选取锚杆长度、锚杆间距和锚杆排距3个锚杆支护参数设计4种不同的支护方案,分别计算未支护与4种支护方案下巷道周壁的围岩平均应力集中系数,通过对比分析,确定最优的交叉巷道锚杆支护参数。结果表明:未支护时,巷道周壁围岩平均应力集中系数在0.3~2.9,应力分布极不均匀;锚杆支护后,最大围岩平均应力集中系数与未支护时相比降低幅度超过50%,围岩应力分布得到较好的改善;确定最优的支护参数为锚杆长度2.2 m、锚杆间距1.1 mm、锚杆排距1.0 mm,此时巷道周壁的围岩平均应力集中系数在0.9~1.19,其变化幅度仅有0.29,围岩应力分布较均匀;围岩平均应力集中系数能对围岩应力分布的均匀性进行有效评价。     

基于主应力方向改变的深部沿空巷道非均匀大变形机理及稳定性控制

针对赵固二矿11030运输巷在掘进期间出现围岩非均匀大变形导致支护体支护失效的问题,采用理论分析、理论计算、数值模拟和现场试验等综合研究方法,研究了采空区侧方围岩主应力场方向的变化规律,及其对沿空巷道围岩塑性区分布形态的影响机制,揭示了深部沿空巷道非均匀大变形机理。研究结果表明:采空区侧向围岩应力场的主应力方向会发生显著变化,导致深部沿空巷道围岩形成非均匀塑性区,同时在主应力集中及支护体延伸性能弱等主要因素的共同影响下,深部沿空巷道出现非均匀大变形。在此基础之上,提出了以围岩塑性区形态为支护设计基础的、采用可接长锚杆代替普通锚索的深部沿空巷道冒顶控制技术;并在11030运输巷进行了现场试验,采用可接长锚杆支护后的顶板最大下沉量由927 mm降低为431 mm。     

浅埋煤层弱黏结顶板巷道支护对策研究

针对塔拉壕煤矿2102辅运输巷掘进期间曾发生冒顶事故,为了保证弱黏结顶板巷道支护安全可靠,通过计算机数值模拟研究了主应力偏转方向为0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°时,弱黏结顶板巷道围岩塑性区的分布特征,揭示了巷道围岩的破坏规律,当主应力偏转方向为30°和45°时,顶板围岩塑性区尺寸最大,破坏深度达3.9 m,帮部围岩塑性破坏程度较小,塑性区尺寸为0.5 m。重点对顶板进行支护,根据悬吊理论计算,提出了防冒顶的锚杆索支护参数。结果表明,顶板位移量很小,为5~12 mm,离层主要发生在0~2 m层位,占65%以上,巷道几乎不发生变形,没出现冒顶事故,基本能够保持稳定。     

霍州矿区岩石巷道围岩稳定性分类研究

针对霍州煤电集团下属矿区岩石巷道工程地质与生产技术条件,选取了岩体强度、岩体完整性系数、地下水状态、水平最大主应力、水平最大主应力方向与巷道夹角以及巷道埋深等6个稳定性评价指标,依据大量的现场调研样本,采用模糊聚类分析方法,研究了霍州矿区岩石巷道围岩稳定性分类方案,并在此基础上针对每类巷道的围岩稳定性状况提出了相应的支护对策.研究成果为霍州矿区岩石巷道支护设计、施工和管理提供了一定的依据.     

留顶煤大断面巷道围岩失稳机理及支护对策研究

针对余吾煤业S1203留顶煤沿底掘进大断面巷道围岩控制困难的问题,运用FLAC3D数值模拟软件对巷道围岩塑性区和主应力分布特征进行分析,得到了留顶煤大断面巷道围岩失稳机理。在此基础上提出了留顶煤大断面巷道支护原则,根据该原则,决定采用机载高阻力临时支护和高预紧力锚杆锚索支护对策,并应用于工程实践。数值模拟和现场实测均表明,该方案支护效果良好,可有效保持巷道稳定。     

掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系

采用FLAC3D软件计算分析了掘进工作面周围应力、位移及破坏区分布特征与变化规律,巷道轴线与最大水平主应力方向的夹角对围岩应力、位移及破坏的影响;研究了掘进工作面附近锚杆支护应力场的分布特征,及对空顶范围顶板的控制作用.分析了围岩与支护加固的相互作用,指出煤矿巷道围岩基本上属于非连续煤岩体,不能采用连续体的围岩响应曲线分析围岩与支护的关系,锚杆支护与支架等支护方式的基本原理有本质区别,也不能采用支架的围岩响应曲线分析围岩与锚杆的相互作用.基于锚杆受力变化的实测曲线,归纳出5种类型,得出锚杆支护围岩响应曲线,并提出了支护与加固的时空设计原则.最后,通过千米深井巷道、强烈动压影响巷道及深部沿空留巷的3个实例分析,对理论与数值研究结果进行了验证.     

小峪煤矿8104工作面进风巷支护设计探索

为得到8104工作面进风巷支护设计参数,采用数值模拟方法对比了3种支护方案条件下巷道围岩塑性区分布、应力分布及位移情况.数值模拟结果表明:巷道围岩应力受锚杆/索长度影响较大,增大锚杆/索长度可以有效控制巷道围岩应力集中程度,而锚杆/索预紧力对巷道围岩应力集中程度影响较小,但锚杆/索长度及预紧力在控制巷道围岩变形方面均能够起到明显作用.现场对工作面开采期间巷道围岩变形量进行监测,结果表明,巷道顶板最大移近量为93.6 mm,两帮最大移近量为70.8 mm,这说明现有支护能够较好维持巷道围岩的稳定性.     

基于巷道围岩塑性区形态变化的变形破坏机理及支护

为了研究围岩塑性区形态发展对巷道浅部围岩支护的影响,采用理论分析、数值模拟及现场试验,研究巷道塑性区形态的变化规律,分析巷道支护失效的原因,得出采动影响下的巷道修护建议.研究表明:(1)不同形态的巷道,在相同侧压系数条件下,产生的塑性区形态趋于一致;(2)在侧压系数(λ=0.1~1.0)的范围内,巷道围岩塑性区形态随着λ的减小而逐渐呈现"蝴蝶"形状;(3)在采动影响下,巷道开挖形成的"蝶"形塑性区始终与主应力方向呈相对一致性.针对木孔煤矿+700瓦斯抽放巷在采动影响下,原有塑性区发生了扩展性旋转,导致巷道的上帮部的锚杆锚固端由弹性区转至塑性区内,锚杆出现整体拉出失效,而锚索则是受力过大致其拉断失效.设计"巷道周边加固+部分加长锚杆(索)"作为巷道修帮支护方式,在修帮支护后的6个月巷道变形较小,达到了修帮支护目的.     

红庆梁矿12301胶运巷耦合支护研究

随着开采深度的增加,软岩巷道占比逐年加大,合理的软岩巷道支护方案为矿井安全高效开采提供了重要保障。为了研究掘进巷道不同数量锚杆、锚索耦合支护的效果,以鄂尔多斯红庆梁矿12301胶运巷掘进巷道为研究对象,利用FLAC^3D软件研究在不同数量锚杆、锚索联合支护条件下,12301胶运巷掘进巷道围岩塑性区和围岩应力规律。结果表明：在方案1的支护条件下,减少2根帮锚杆,围岩剪切破坏区明显增大,而在减少两根顶锚杆的情况下,围岩剪切破坏区变化不大。方案2在方案1减少两根顶锚杆的前提下,巷道顶板最大垂直应力增加了20%,巷道两帮最大垂直应力增加了0.3%.方案3在方案1减少2根帮锚杆的前提下,巷道顶板最大垂直应力增加了40%,巷道两帮最大垂直应力增加了0.93%.     

基于蝶形破坏理论的深部巷道围岩控制技术研究

现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一,而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响,结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用机理并阐述了支护与围岩变形的内在关系,基于蝶形破坏理论探讨了深部巷道围岩的控制原理,提出深部巷道围岩控制技术并在工程中予以应用。结果显示：(1)锚杆支护能够有效减少围岩变形,但是无法控制巷道不发生变形,即在现有的支护水平下巷道存在着部分无法控制的围岩变形,即“给定变形”,且“给定变形”随巷道埋深的增加不断增大。(2)锚杆支护对于巷道围岩剪胀、滑移等非连续性变形的控制效果明显,而对于完整岩体的连续性变形的影响十分有限。因此,锚杆支护主要是通过控制巷道塑性区内岩体的非连续性变形进而控制巷道的总变形。(3)巷道总变形主要包括“给定变形”和“支护残余变形”2个部分。巷道围岩控制的主要途径就是减少“支护残余变形”。(4)锚杆支护的作用机理要求锚杆的锚固基础必须始终位于完整岩体中,因此巷道开挖后的塑性区形态以及塑性区在服务期内的发展规律对于锚杆支护方式的设计至关重要。巷道塑性区形态及...     

考虑剪胀与中间主应力的被锚巷道围岩稳定性分析

为研究被锚巷道围岩稳定性,将锚杆的支护作用考虑成作用于锚固体两侧的一组夹紧力与强化了锚固体强度参数,综合考虑围岩剪胀特性与中间主应力效应,建立被锚圆巷弹塑性力学模型,推导出围岩的应力场与位移场解析解,求得围岩塑性区半径表达式。算例研究表明:随着中间主应力系数增大,塑性区半径、洞壁位移与锚杆轴力均减小,最大主应力峰值增大;随着剪胀角增大,塑性区半径稍有减小,最大主应力峰值稍有增大,洞壁位移与锚杆轴力急剧增大;影响因素最不利组合(b=0,ψ=30°)与影响因素最有利组合(b=1,ψ=0°)相比,塑性区半径增大了23.49%,最大主应力峰值变化很小,洞壁位移增大了76.20%,锚杆轴力增大了1.94倍。该结果在围岩稳定分析方面具有一定工程实用价值,也可为锚杆支护设计和优化提供一定理论基础。     

深部巷道长锚杆支护技术研究及应用

分析了深部巷道围岩变形破坏特征主要为围岩变形量大、变形具有持续性和不可控性,提出采用长锚杆支护技术进行深部巷道的支护。数值模拟分析了不同支护系统巷道围岩的塑性区分布,结果表明:深部条件下巷道塑性区范围较大,加大支护强度对塑性区改变较小,普通锚杆锚索支护不再适用;深入研究了长锚杆的围岩控制机理,并说明了其在深部大变形巷道支护中的优越性。现场工业性试验表明,采用长锚杆支护后,围岩控制效果更佳,且帮部长锚杆在扩帮时能够被重新利用,支护效果较好。     

考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究

地下水的存在给巷道围岩稳定带来了较大威胁,为了研究地下水渗流作用对深部巷道支护的影响,基于渗流对岩体体积力等效理论和让压—锚注锚杆的等效强度准则,应用弹塑性理论,推导了渗流作用下巷道围岩塑性应力场与塑性区分布的理论解,并利用等效圆方法给出了考虑现场渗流作用下的让压—锚注锚杆支护方案参数确定方法。以鲁西南地区某矿为例,给出了矿井回风大巷的锚杆长度、间排距、预紧力等参数,通过FLAC3D数值模拟对支护参数取值合理性进行了验证。研究表明:(1)考虑渗流作用后,巷道围岩塑性区增大,稳定性系数减小,通过减小间排距能够有效减少塑性区分布;(2)通过理论计算确定现场参数,利用数值模拟验证结果表明:现场支护方案能够显著提高巷道稳定性,有效减少塑性区的范围,控制围岩变形。