煤矿大断面托顶煤巷道变形机理及控制技术研究

为了解决煤矿大断面托顶煤回采巷道支护问题,以王庄煤矿7105工作面运输巷为工程背景,通过数值模拟分析了大断面托顶煤巷道裸巷平衡时围岩塑性区形态、位移及应力演化规律;基于普氏自然平衡拱理论,建立了两帮稳定时大断面托顶煤巷道顶板冒落拱力学模型,通过数学计算得到了分层冒落拱高度,运用两帮塑性区力学模型计算托顶煤巷道帮部塑性区宽度,结合数值模拟方法,设计了锚杆锚索联合支护参数和支护方案,并应用于工程实践。研究结果表明:巷道周边出现"蛙形"塑性区,顶板拉伸破坏区呈规则穹隆形,与巷道顶板普氏拱效应相吻合,托顶煤离层严重,冒落拱高度超过托顶煤厚度;两帮在该工况下塑性区发展有限,帮部较为稳定;在厚顶煤存在情况下,大断面托顶煤巷道变形特点是顶板最大,帮部次之,底板最小。现场监测结果证明,借助大断面托顶煤巷道顶板冒落拱力学模型、两帮塑性区力学模型理论计算,结合数值模拟比选的巷道锚杆支护参数和支护方案,能有效控制围岩变形,保持巷道稳定。     

基于煤巷两帮基础刚度效应的控帮护巷支护原理

煤层巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性强,两帮煤体大变形对巷道围岩整体稳定性有着极其重要的影响。基于煤巷两帮煤体严重变形的工程实际,考虑巷道两帮煤岩体的可变形性,建立了由Winkler可变形基础支承的顶板悬梁力学模型,分析并揭示了顶板的弯矩和挠度分布特征及规律,提出了基于煤巷基础刚度效应的"控帮护巷"支护原理:通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度,控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏,并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态,抑制顶底板变形破坏,提高围岩承载能力和稳定性。通过数值模拟分析与现场工程试验,对基础刚度效应和"控帮护巷"原理进行了分析和验证。研究表明:在两帮垂直集中应力作用下,巷帮煤体压缩变形明显,顶板岩层随基础变形而弯曲下沉,两帮基础刚度对顶板变形量影响显著,是顶板变形的关键影响因素;在顶板支护相同的条件下,加强两帮支护不仅使掘进和采动影响期间的两帮的塑性破坏范围和移近量显著缩小,还有效地控制了顶底板的变形破坏情况,是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。研究工作深化了煤巷围岩控制中对巷帮支护重要性的认识,揭示了控帮护巷的支护机理。     

非软顶底板煤巷锚杆支护及围岩松动规律

分析巷道围岩松动规律是优化锚杆支护的基础.通过对非软顶底板煤巷围岩松动特征与锚杆支护关系的分析,理论计算了非软顶底板煤巷围岩的松动范围,提出了非软顶底板煤巷锚网索耦合支护方案,运用数值计算分析了非软顶底板煤巷锚杆支护前后围岩松动规律,并对试验巷道围岩松动范围进行了钻孔窥视和超声波探测.结果表明:非软顶底板煤巷围岩松动范围在顶板两角及两帮中部,两帮呈半圆形破坏,顶板呈马鞍形破坏.锚杆支护后,围岩松动范围减小,围岩应力由顶板两角沿两帮向底板两角深部转移,顶底角锚杆(索)耦合支护利于巷道围岩的稳定.     

大断面煤巷巷宽效应及支护技术

针对煤巷宽度增加后的围岩控制难题,选取磁窑沟煤矿10104轨道巷为研究对象,采用FLAC3D模拟研究了巷宽对围岩的影响,结果表明:顶、底、两帮塑性区呈"半椭圆"状分布,随巷宽增加,塑性区面积和深度增加速率为顶板大于两帮大于底板;顶、底、两帮深部变形呈"负指数"关系向深部降低;同一围岩深度,表面变形量及变形增加量为顶板大于两帮大于底板;帮浅部支承压力随巷宽增加而降低,且支承压力峰值向深部转移。根据桁架锚索、高强高预紧力锚杆支护特点,提出高强高预紧力锚杆与桁架锚索联合支护技术,工程实践结果:帮移近量97mm,顶底板移近量127mm,顶板离层量3mm。     

煤巷锚杆支护的研究

针对以往煤巷锚杆支护设计中存在的不足之处，从煤巷围岩松动圈的特点出发，同时考虑服务期间采动影响，指出锚杆在煤帮与顶板中的支护机理不尽相同，必须用不同或相同的锚杆支护理论对煤帮和顶板锚杆支护参数分别进行设计。     

深井煤巷煤帮支护技术研究

阐述了煤巷煤帮锚杆支护机理。对邢东煤矿埋深达1 000m的深部煤巷煤帮变形破坏特征进行了数值模拟分析。结果表明,巷道开挖后,围岩破坏是由帮、底逐步向顶板发展的。可见,加强两帮支护对顶板稳定有着重要的作用。矿压观测表明,邢东煤矿深部煤巷采用锚梁网 锚索支护是较为合理的。     

层状顶板煤巷锚杆预紧力的作用分析

采用有限元模型分析方法,对层状顶板煤巷预应力锚杆支护顶板离层进行了数值模拟,分析了无支护和预应力锚杆支护下围岩的应力和变形情况。结果表明,预应力锚杆支护可以显著提高围岩的稳定性,有效地控制煤巷顶板变形。     

综采面对接中部大断面切眼围岩控制技术

对某矿1341工作面大断面切眼对接期间的巷道变形进行了分析,并从对巷道顶底板及里帮进行加强支护的角度出发,提出了对中部切眼顶板采取注浆加固、里帮增加锚杆、底板锚杆支护等加强支护方案。通过数值模拟分析中部切眼在工作面采动影响下巷道的围岩变形特征,结果表明：顶底板移近量为126 mm,两帮移近量为80 mm,与原支护围岩的变形量相比,对中部切眼进行加强支护设计以后可以有效控制中部切眼围岩变形。     

层状顶板煤巷均压补强支护设计及应用

以晋华宫矿2105巷为研究背景,建立了层状顶板力学模型,发现顶板最大拉应力与巷道宽度、煤帮承载宽度呈二次函数关系,与岩层厚度的二次方成反比,分析提出了层状顶板煤巷"均压补强"支护思想,消除围岩的集中应力,加强两帮的支护,减少巷道支护的短板效应为该类巷道支护的关键所在;基于上述思想对巷道进行了支护设计,数值模拟及现场实测结果表明,在锚杆预紧力的作用下,顶板形成了明显的组合梁结构,提高了顶板岩层的整体厚度,增强了稳定性;巷道开挖20 m后保持稳定,两帮收敛15.2 mm,顶板下沉7.9 mm,底鼓5.0 mm,效果良好。     

层状顶板煤巷均压补强支护设计及应用

以晋华宫矿2105巷为研究背景,建立了层状顶板力学模型,发现顶板最大拉应力与巷道宽度、煤帮承载宽度呈二次函数关系,与岩层厚度的二次方成反比,分析提出了层状顶板煤巷"均压补强"支护思想,消除围岩的集中应力,加强两帮的支护,减少巷道支护的短板效应为该类巷道支护的关键所在;基于上述思想对巷道进行了支护设计,数值模拟及现场实测结果表明,在锚杆预紧力的作用下,顶板形成了明显的组合梁结构,提高了顶板岩层的整体厚度,增强了稳定性;巷道开挖20 m后保持稳定,两帮收敛15.2 mm,顶板下沉7.9 mm,底鼓5.0 mm,效果良好。     

巷道变形差异化响应特征及支护设计分析

巷道围岩变形响应特征的演化对其支护研究有着重要意义。首先基于弹性力学建立不同应力条件下考虑支护压力的圆形巷道力学模型,得到不同侧向应力系数(k)条件下巷道顶底板和两帮变形的差异化响应特征,且对差异化响应过程进行分析。基于此可以对巷道的支护提供如下的指导意义:(1)当k1时,应重视巷道顶(底)板的支护;当k1时,应重视巷道两帮的支护;(2)针对侧向临空巷道、超前支承应力影响范围内的巷道要重视两帮的支护,针对上覆采空区范围下的巷道要重视对于顶(底)板的支护;(3)一般情况下浅巷重顶(底),深巷重帮。最后以山西某矿152052巷道为研究对象,测量巷道围岩内部地应力信息,结合巷道围岩内部裂隙发育特征,提出采用"锚索+锚杆+钢筋托梁+金属网"对巷道顶板和两帮进行支护设计,且取得了良好的支护效果。     

复合顶板大跨度开切眼联合支护技术研究

为解决大跨度复合顶板开切眼顶板破碎、两帮收敛严重、支护困难等问题,以邱集煤矿1102工作面开切眼为研究对象,基于压力拱理论对巷道围岩变形规律进行分析。计算得出1102工作面开切眼压力拱的拱高为3.77m,两帮破坏范围为2.26m,并对支护参数进行设计,确定掘进过程中使用"吊环吊梁+顶锚索+帮锚杆+金属网"联合支护形式。最后,通过数值模拟计算得到,开切眼顶板、底板和两帮的最终收敛量分别为39.65,16.89,35.40mm,顶锚索和帮锚杆均未发生断裂现象。数值模拟结果和实践证明,该支护方案能够较好地控制复合顶板大跨度开切眼的围岩收敛,使顶板和巷帮处于稳定状态。     

预应力锚杆支护在煤巷中的应用

刘桥一矿将煤巷预应力锚杆支护设计新方法—煤巷锚杆支护监控设计法应用到支护实践中,取得了良好的支护效果。监测结果表明,煤巷采用高预应力锚杆可以阻止顶板离层和两帮片帮,充分发挥围岩和支护体的共同承载作用,起到良好的支护作用。     

大采高切眼煤巷支护参数合理性力学分析

为了有效控制大断面复合顶板大采高开切眼围岩稳定,根据白龙煤矿2-1101大采高综采工作面开切眼的特点提出了支护结构及参数。为验证支护参数的合理性,分别建立了煤巷稳定性分析模型,提出巷帮稳定状态准则。对于巷道两帮失稳状态准则为锚固体内锚杆的应变量不能超过其极限应变量。对于巷道顶板失稳的一种形式是剪切面上的下滑阻力F不足以克服下滑的剪力V,出现剪切破坏;另一种形式为顶板岩石发生压缩破坏。根据开切眼两帮和顶板稳定性的力学计算分析模型,研究结果表明白龙煤矿大采高开切眼的顶板和两帮均处于稳定状态。     

大埋深采准巷道围岩拱梁支护结构研究

以桑树坪2号井煤矿3303工作面大埋深采准巷道为背景,采用"拱-梁"结构模型对该巷道进行支护优化,借助FLAC3D数值软件对原支护和改进支护的支护效果进行对比分析。结果表明:改进方案不仅能够提高浅部顶板的稳定性,而且还能有效控制巷道围岩变形。锚索压缩拱承载作用下,巷道围岩竖向应力呈拱状形态,帮部锚杆的存在可以缩小巷道两帮破坏范围,表明顶板的有效支护有利于提高巷道围岩的承载能力。顶板上方围岩所形成的"拱-梁"结构模型,对大埋深采准巷道的支护作用有明显改善。     

采空区下巷道锚杆支护参数优化数值模拟分析

为研究采空区下布置巷道围岩的控制技术,以厚煤层采空区下布置的2311工作面巷道支护参数选择为背景,采用数值模拟技术,利用正交试验,建立了27组锚杆支护巷道围岩力学模型,分析了不同支护参数与巷道围岩变形之间的关系,确定了最优巷道锚杆支护参数方案。结果表明:基于极差分析,影响巷道顶底板变形的最大因素包括帮与顶锚杆间距、帮与顶锚杆排距,其中帮锚杆长度、帮锚杆间距、间排距等三个因素对巷道两帮的变形影响最大;基于灰色模糊理论,确定锚杆间排距0. 7 m、锚杆直径18 mm、顶锚杆长2. 6 m和帮锚杆长2. 4 m为最优支护参数方案。模拟结果为现场巷道围岩控制提供了理论基础。     

基于断面形状效应的厚顶煤巷道支护参数优化

针对厚顶煤矩形断面巷道顶板两侧肩角锚杆易剪切破断、顶煤易离层破碎等支护难题,以唐家会矿61201综放工作面运输巷为工程背景,通过数值模拟对矩形和直墙平顶肩角微拱形厚顶煤巷道应力分布特征进行了对比分析。结果显示:直墙平顶肩角微拱形厚顶煤巷道顶板两侧肩角无应力集中、顶帮煤体松动范围相对于矩形厚顶煤巷道均有所减小,尤其顶煤松动范围减小明显,说明直墙平顶肩角微拱形断面有利于厚顶煤巷道围岩稳定性控制。在此基础上,提出了相应的巷道围岩控制对策,并进行了支护参数优化,经过现场应用,不仅顶板两侧肩角未发生锚杆剪断现象,而且掘进期间顶板下沉量达到15 mm时就趋于稳定,回采期间顶底板累计移近量仅220 mm,两帮移近量仅150 mm,支护效果显著。     

大断面厚顶煤回采巷道锚杆索协同支护技术研究

以大断面厚顶煤巷道的围岩破坏机理为依据,采用FLAC~(3D)数值模拟计算,对传统联合支护和锚杆索协同支护的围岩变形、塑性区分布等进行了对比分析。结果表明:单纯增加锚索的局部支护密度对顶板支护意义并不大,支护过程中应重视顶板锚索的均匀布置,使得锚杆、索充分发挥协同支护作用;研究发现锚杆、索协同支护体系可以将锚杆、索等支护构件的锚固作用最大化,节省支护成本,并有效改善围岩的变形状况,防止巷道围岩出现大变形甚至片帮、冒顶等事故。现场应用试验表明,采用锚杆、索协同支护体系后,巷道顶板下沉量和两帮移近量较传统支护方案分别减少了21.3%和18.4%,支护效果良好。     

寺家庄矿煤巷帮顶协同强力支护技术研究

针对以往煤巷围岩控制研究中帮顶协同支护的问题,选取寺家庄矿15117工作面回风巷作为工程背景,综合运用现场调研、围岩地质力学参数测试、理论分析与现场工程实践相结合的方法,研究煤巷协同强力支护技术。研究成果表明,巷道围岩是由顶板、两帮及底板共同构成的整体,两帮一旦发生变形破坏,巷道整体依然会失稳;开挖卸载使得巷道围岩发生变形破坏,协同强力支护技术能够一定程度上改善围岩受力状态,减轻其变形破坏程度。矿压监测数据表明,现场工程实践效果良好,煤巷帮顶协同强力支护技术具有一定的推广应用价值。     

断层附近煤巷锚杆支护破碎围岩稳定机理研究

针对与断层平行的回采巷道围岩破碎且受构造应力作用,呈现非对称变形破坏,巷道维护较困难的特点,采用FLAC数值计算方法,建立了包含断层的计算模型,对其稳定机理进行了研究,分析了围岩的应力状态的变化及分布形态,得出了断层附近破碎围岩煤巷锚杆支护围岩稳定机理:1)锚杆支护能减小围岩应力降低速度,可改善两帮及顶底板的应力状态,提高破碎围岩残余强度,促进围岩稳定.2)锚杆支护可提高顶板抗剪能力,从而减小断层附近巷道发生冒落失稳的可能性.3)断层附近巷道围岩应力状态、变形破坏程度具有非对称性,对近断层煤帮加强支护有利于围岩稳定.