煤矿大变形软岩巷道联合支护方案研究

以大变形软岩巷道为研究对象,通过分析巷道破坏关键部位和岩体结构面信息,提出注浆锚杆+锚索+底角锚杆联合支护方案并利用离散元程序对无支护、常规支护和联合支护状态下的巷道变形特征进行分析,结果显示:联合支护的软岩巷道未产生张拉破坏区和剪切破坏区,巷道保持稳定。顶底板岩体稳定,整体巷道支护效果良好。巷道开挖后围岩累积变形量小于0.15cm。软岩巷道可以维持较长时间稳定,为采矿作业提供了安全的环境。     

锚杆锚索联合支护在大断面不稳定围岩煤巷中的应用

本文以南阳坡矿408-2巷掘进工作面的支护为工程背景,在大断面回采巷道掘进工作面中探索使用锚杆+锚索联合支护形式。结果表明,锚杆+锚索联合支护方式巷道围岩变形过程较为平缓,围岩更快进入变形稳定阶段,能有效地保证巷道围岩稳定。     

焦家金矿巷道围岩松动圈测试与破碎岩体支护技术

为了准确测定破碎蚀变岩体条件下巷道围岩松动圈范围,选择合理的支护方案与参数,本项目以山东黄金集团焦家金矿为依托矿山开展研究。联合采用岩体超声探测与数字全景钻孔摄像手段,获得了焦家金矿破碎岩体条件下的巷道围岩松动圈范围为1.0～1.3 m。开展焦家金矿现场岩体质量分级,基于分级结果计算破碎蚀变岩体所需支护载荷大小。计算结果表明,在破碎岩体条件下围岩所需支护载荷为51.08～76.17 kPa。依据围岩松动圈测试结果以及围岩支护载荷计算结果,初步确定焦家金矿破碎蚀变岩体应采用管缝锚杆+金属网+喷射混凝土联合支护方案,管缝锚杆长1.8 m,设计锚杆间距为1.0 m,排距为1.2 m,喷射混凝土厚度为50 mm。在此基础上,开展支护方案的现场工业试验,由巷道围岩连续收敛监测结果表明,当应用管缝锚杆+金属网+喷射混凝土联合方案支护后,巷道围岩收敛变形在6个月内不再增长,可有效保证焦家金矿巷道围岩在服务周期内的稳定性。     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

基于FLAC3D的深部巷道支护围岩稳定性研究

为了验证某煤矿巷道支护设计是否满足矿井支护要求,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了巷道周围煤岩体应力分布、巷道周围煤岩体塑性区分布、巷道周围围岩体变形规律以及巷道支护中锚杆、锚索轴向力分布。研究得出:巷道顶底板围岩变形为31 mm,巷道两帮变形量为22 mm,巷道右侧锚杆受力明显大于巷道左侧锚杆受力,巷道围岩出现失稳破坏。因此,在进行最终巷道设计时,应增加锚杆、锚索的抗拉强度及减少锚杆、锚索的间排距,从而达到巷道围岩的稳定性,保证矿井安全生产。     

深部软岩巷道围岩支护技术研究

为有效解决深部软岩巷道围岩控制问题,针对信湖煤矿回风石门埋深大、应力高、围岩强度低的特点,在分析了信湖煤矿回风石门的围岩赋存条件、变形破坏特征以及原有支护方案已难以维持现掘巷道稳定的条件下,通过理论计算得到信湖煤矿回风石门围岩塑性区范围,从而提出了控制巷道围岩的基本理念：采用小承载体控制围岩破碎区的扩大,采用大承载体限制围岩塑性区的发展,2个承载结构共同维持巷道稳定,进而提出采用“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案对新掘巷道进行支护,并结合FLAC^3D数值模拟及现场工业性试验对“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案的合理性及可靠性进行验证。结果表明：信湖煤矿回风石门新掘巷道经“混凝土喷射+注浆锚杆/锚索+普通锚杆/锚索”联合支护方案支护后围岩表面变形趋于平稳,巷道顶板最大下沉量仅为36 mm,两帮移近量为67 mm,支护体与巷道围岩形成了稳定的复合承载结构,联合支护方案能够保持巷道的长期稳定,该联合支护方案可为其他类似深部软岩巷道支护提供一定参考。     

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...     

基于离散元方法的深部巷道层状围岩稳定特性研究

采用块体离散元方法UDEC,通过细观参数校核及无支护状态的宏观物理-数值模型对比,建立了深部层状围岩巷道模型,分析了4种支护方式对深部巷道层状围岩体承载特性及变形破坏特征的影响。在块体离散元巷道模型基础上,为进一步研究深部矩形巷道层状围岩体承载能力,通过监测模型内部的应力、塑性区分布及顶底板和两帮位移,对不同支护方式的压力拱成拱特性进行了分析。研究结果表明：不同支护方式下深部巷道顶底板及两帮围岩均出现了应力集中区,采用锚杆+锚索+喷射混凝土+工字钢支护后巷道表面收敛程度及围岩的位移均最小,支护效果最明显,对围岩的控制效果最好。研究结果可为实际工程中的矩形巷道层状围岩稳定性控制提供参考。     

基于离散元方法的深部巷道层状围岩稳定特性研究

采用块体离散元方法UDEC,通过细观参数校核及无支护状态的宏观物理-数值模型对比,建立了深部层状围岩巷道模型,分析了4种支护方式对深部巷道层状围岩体承载特性及变形破坏特征的影响。在块体离散元巷道模型基础上,为进一步研究深部矩形巷道层状围岩体承载能力,通过监测模型内部的应力、塑性区分布及顶底板和两帮位移,对不同支护方式的压力拱成拱特性进行了分析。研究结果表明：不同支护方式下深部巷道顶底板及两帮围岩均出现了应力集中区,采用锚杆+锚索+喷射混凝土+工字钢支护后巷道表面收敛程度及围岩的位移均最小,支护效果最明显,对围岩的控制效果最好。研究结果可为实际工程中的矩形巷道层状围岩稳定性控制提供参考。     

三软煤层沿空巷道破坏机制及锚注控制

针对龙口矿区梁家煤矿典型三软地层沿空巷道-4606材料巷围岩控制难题,通过现场监测和试验,分析原支护方案下围岩变形破坏机制。煤层结构复杂,围岩易膨胀、软化,围岩破坏范围大,拱架变形破坏严重,锚杆支护潜力无法有效发挥是巷道变形破坏的主要原因。以锚注支护为核心,实施了U型棚+注浆锚杆+注浆锚索和注浆锚杆+注浆锚索2种联合支护对比试验方案。结果表明：方案实施后,巷道围岩变形量均小于原支护方案37%以上,U型棚+注浆锚杆+注浆锚索联合支护方案中U型棚对围岩的控制作用不明显,注浆锚杆+注浆锚索联合支护完全可以取代传统的U型棚支护。     

采动影响下车场交岔巷道支护方案模拟与应用

针对车场复杂交错巷道的围岩稳定性差的问题,以晶鑫煤矿二采区车场为研究对象,根据其实际地质条件和生产条件提出了"锚杆+锚索+网+钢梁"联合支护方案,并通过数值模拟技术和现场监测结果进行了分析。分析表明,所提出的围岩控制支护结构位于围岩承载区的稳定岩层位置,可与围岩承载体共同起到良好的支护作用,能够充分发挥破碎岩体的锚固作用,对车场巷道变形的控制效果是显著的,可为其他类似条件下的矿井巷道支护提供参考。     

下分层动压巷道失稳机理与加固技术

以南凹寺煤矿30104运输巷道为研究对象,采用数值模拟,得到动压影响应力集中系数达到3.57,煤柱完全处于塑性区,引起工字钢变形。因此,针对该类巷道围岩失稳机理,提出运用顶板注浆+水力膨胀锚杆联合支护技术,两帮进行树脂锚杆加强支护技术。实践表明:采用围岩注浆+水力膨胀锚杆联合加固支护新技术,整体加固技术能够有效控制下分层动压影响巷道围岩强烈变形,并取得良好的支护效果。     

高应力区卸压与锚杆支护对巷道稳定性影响分析

采用FLAC3D分析了不同卸压率下,锚杆排间距参数改变对巷道变形程度及锚杆受力的影响;分析了赞比亚谦比西铜矿卸压开采及锚杆支护下巷道变形破坏程度以及武钢金山店铁矿喷锚网支护方式下的巷道变形破坏程度。理论分析和工程实例表明,卸压可以有效控制巷道围岩的变形大小,锚杆支护并不在于控制巷道围岩的变形程度,而在于协调巷道周围岩体的变形。因此,高应力区巷道维护中应以地压控制为主,并配合有效的支护方式和参数才能控制巷道变形并保持稳定性。     

冲击地压巷道桁架锚索支护原理与实践

针对冲击地压巷道围岩难以控制的问题,提出采用桁架锚索-锚杆联合支护冲击地压巷道。采用理论分析、现场实践相结合的方法,研究桁架锚索支护冲击地压巷道的原理。运用材料力学、岩体力学理论,建立锚索支护巷道的力学模型,对比研究普通单体锚索和桁架锚索支护冲击地压巷道抗冲效果。研究表明:普通单体锚索难以适应巷道围岩和锚杆的变形而先行破坏,锚索-锚杆支护体系被各个击破,从而导致冲击地压发生;相对于单体锚索,桁架锚索锚固区围岩最大拉应力降低Fsinα+F,最大剪应力降低Fsinα,变形量增加ckcosα,并一定程度上能够实现桁架锚索-锚杆协同防冲支护;能量理论分析表明,桁架锚索支护系统比普通锚索支护系统要多吸收D(22 2a/cosa+2c-2a)能量,抗冲震级也加大。现场应用表明,桁架锚索-锚杆联合支护能够有效地防止巷道冲击地压的发生。     

基于复合材料力学的锚固巷道数值模拟研究

为了建立一种符合锚喷支护围岩稳定性分析和支护参数总体评价的简化等效计算方法,应用复合材料力学的基本原理,建立了加锚岩体的复合材料力学模型。首先将锚杆和砂浆视为弹性体,推导了锚杆-砂浆复合体等效力学模型的弹性参数;然后将岩体和锚杆-砂浆复合体视为复合增强材料,建立了横观各向同性体模型,并推导了该等效力学模型相应参数的确定公式。在此基础上依据工程实例,分别进行了复合后巷道模型与常规离散巷道模型的数值模拟研究;通过对巷道两帮、顶、底部位移和围岩应力的对比分析,验证了该等效方法的可行性和适用性。     

矩形巷道全长锚固锚杆力学模型分析及设计

煤矿开拓大量采用矩形巷道,传统锚杆设计方法通过将矩形巷道等效为圆形巷道对围岩变形进行分析进而确定支护参数,但圆形巷道围岩变形规律与矩形巷道不同,使得锚杆支护设计产生较大误差。依据陕西神木柠条塔煤矿S12001工作面运输巷顶板变形监测结果,建立顶板梁模型,根据弹塑性理论,推导出矩形巷道顶板下沉变形计算式,进一步对全长锚杆进行受力分析并提出其设计方法。研究结果表明:巷道顶板表面跨中部位竖向变形最大,向岩体内部以及巷道两帮逐渐减小;锚杆上剪应力以中性点为界,锚杆两端剪应力方向相反,最大剪应力在靠近巷道一端,锚杆轴向拉应力在中性点处最大,锚杆两端为0。通过对S12001工作面运输巷顶板进行支护设计,经计算发现各支护参数均符合生产要求,将理论计算的顶板围岩变形量与现场监测结果进行对比,对模型可靠性进行了验证。     

不同支护结构对深部巷道围岩变形的时效分析

为合理选择深部软岩巷道的支护形式和支护时机,采用有限差分软件FLAC3D,考虑围岩强度的时效性,分别研究了锚杆锚索主动支护结构、U型钢和壳体被动支护结构及反拱加底板锚杆支护结构对深部软岩巷道围岩变形的控制作用。结果表明:因围岩强度的时效性,岩体之间作用减弱,锚杆、锚索等柔性支护结构调动岩体发挥承载作用的能力降低,围岩变形明显;巷道前期剧烈变形后,因锚杆锚索具有一定围岩自身承载能力,施加刚性支护可有效控制巷道变形;底拱和底板锚杆有利于改善底板围岩受力环境以及控制巷道围岩变形整体协调性;注浆是改善围岩变形时效性的有效手段。提出初期以高预应力、高强度锚杆等进行支抗与卸压,后期以刚性支护及注浆进行加固的巷道支护对策。     

破碎巷道锚网喷支护技术研究

破碎岩体巷道的支护效果关系矿山安全和支护成本,是矿业学界和业界关注和研究的重点。以某铁矿为工程背景,运用破裂区和塑性区理论对巷道围岩破碎岩体变形进行了理论分析,采用超声波仪器对破碎岩体巷道围岩松动圈范围进行了测定。在此基础上,基于松动圈理论提出了锚杆、金属网和喷射混凝土结合的组合式支护方式,并辅以长锚索补强,形成短锚成拱、长锚悬吊的支护方式。通过FLAC3D数值软件分析不同锚杆间排距下的支护效果,结果表明：0.7 m×0.8 m的锚杆支护间距不仅可减少塑性区和变形量,同时能有效缩小自稳时间,支护效果良好。     

金属矿山节理化岩体巷道锚杆支护加固机理模拟研究

论文通过数值模拟手段分析研究锚杆支护对金属矿山节理化岩体巷道的加固机理,研究了锚杆支护前后岩体结构应力场和位移场的变化规律,从而判断锚杆的加固效果。模拟结果表明:锚杆加固支护极大增强了节理巷道围岩自身的承载能力,改善了巷道围岩的受力情况,限制了巷道岩体围岩的变形量,为锚杆支护在节理岩体中的应用提供了理论支持。     

深井软岩巷道穿厚煤层碎裂顶板区围岩控制技术

针对深井软岩巷道穿厚煤层碎裂顶板区围岩控制技术难题,通过现场调查,分析工程破坏特点,结合钻孔窥视分析结果,得出巷道围岩变形失稳原因为破碎岩体降低了内层锚网的支护性能,未能与围岩形成统一承载体,围岩松动圈扩大及变形不均匀致使U型棚支护性能降低,支护阻力不足,围岩扩容膨胀,发生破坏。提出通过超前预注浆和组合金属骨架实现破碎围岩改性、围岩应力优化,形成稳定的承载结构,进而实现破碎岩体的二次承载,强化内层锚网支护效果,做到内锚有效、外架可靠。以此提出“超前预支护+内锚外架联合控顶+锁腿控帮+喷注补强+底板控水卸压”联合的组合控制技术,形成了锚固体与注浆围岩互相强化,强控顶、辅以控帮治底的联合支护体系;现场开展了工程实践,并取得了较好的支护效果。