大断面软弱破碎围岩煤巷演化规律与控制技术

随着矿井开采深度与巷道断面尺寸的增加,煤巷围岩松软、破碎程度越来越严重,煤巷顶板冒落的危险性增大,大断面煤巷支护与维护难度随之增加。基于煤巷围岩松动圈测试与分析,揭示了大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征;采用FLAC3D模拟研究了不同巷道布置方式、顶煤厚度、巷道高宽比及侧压系数等条件下大断面软弱破碎围岩煤巷开挖后围岩变形特征、塑性区演化规律及应力分布特征,为煤巷优化布置、合理支护方案与参数的选取提供了理论依据;针对大断面软弱破碎围岩煤巷变形破坏特征与支护难点,提出了全断面锚网索喷初次支护、高预应力锚索与锚注二次加固组成的"三锚"联合支护技术方案,采用数值模拟分析与相似材料模型试验,验证了该方案的合理性与围岩控制效果,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"三锚"联合支护技术,有效地控制了大断面软弱破碎围岩煤巷的大变形与底臌,维持了煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。     

极软弱地层双层锚固平衡拱结构形成机制研究

针对极软弱地层中巷道围岩变形大、支护困难等特点,基于锚杆、锚索支护理论与技术,提出在极软弱地层中采用双层锚固平衡拱结构解决巷道围岩稳定控制问题。在分析极软弱地层双层锚固平衡拱几何特征的基础上,采用弹塑性理论研究双层锚固拱结构的形成条件及结构承载力的影响因素,推导锚固平衡拱结构参数的计算公式;并基于理论分析和FLAC3D数值计算,分析不同断面形状(断面矢高)、支护参数及预应力对锚固效应的影响规律,提出形成合理的双层锚固平衡拱结构的控制参数。工程实践表明,采用"双层锚固平衡拱结构"可有效地控制极软弱地层中煤巷围岩的大变形与破坏问题,维持煤巷围岩与支护结构的稳定及使用安全。     

回采煤巷大厚度泥质层状顶板失稳机理及控制对策

针对具有强度低、层间作用弱、分层厚度小而累计厚度大等属性特征的大厚度泥质层状顶板易变形、难支护特点，以赵庄矿33053回采煤巷为工程背景，根据煤巷工程地质环境、支护方式及顶板失稳特征，构建煤巷顶板岩梁文克尔地基模型并求解出挠度表达式，分析了煤巷顶板岩梁挠曲下沉特征及其关键影响因素，揭示了煤巷大厚度泥质层状顶板的失稳机理。基于锚杆(索)的组合和压缩效应提出了结构与预应力均连续的顶板梁-拱耦合承载结构，阐明了浅部岩层组合压缩承载梁结构与深部岩层压缩承载拱结构的形成机制及二者间的耦合作用机理。现场工程应用结果表明：大厚度泥质层状顶板煤巷采用不同长度预应力锚索配合锚杆支护，在整个使用周期内围岩变形量明显减小、锚杆(索)破断率显著降低，有效确保了煤巷围岩的稳定性。     

大变形煤巷锚注支护一体化技术及应用

为解决云驾岭矿煤巷变形大、围岩破碎、支护困难、返修率高等工程问题,采用地质调查、理论分析、数值计算、物化分析、现场测试和实验室试验等手段,揭示大变形煤巷围岩失稳破坏机理。基于深、浅部注浆加固,建立双层环状支护带承载体系,提出切圆拱断面、帮部深孔锚索支护、护表加强的锚注支护一体化技术。工程应用表明:浅部注浆封闭巷道周边破碎围岩,与锚杆联合形成内部支护带,提高两帮围岩强度;深部注浆配合加长锚索形成主动支护带,以锚索端部为锚固点,使浅部、深部围岩形成有机整体,增强围岩承载强度;护表加强实现应力均匀分布,提高表面支护刚度并增大有效支护面积。现场监测显示,该技术有效降低围岩变形,保障了巷道围岩稳定。     

深部高应力半煤岩巷变形机理及跨界高强支护技术

针对深部高应力半煤岩巷围岩变形持续时间长、变形量大及支护构件损伤破断等围岩控制难题,以渝阳矿N3702运输巷为工程背景,综合采用现场测试、理论分析、数值模拟和工程试验的方法,对半煤岩巷围岩变形机理和控制对策展开研究。通过巷道矿压监测与松动破坏范围测试,量化了半煤岩巷的矿压显现特征,揭示了半煤岩巷顶板泥页岩抗变形能力弱、锚索锚入坚硬硅质灰岩的深度较浅甚至未锚入、巷道所处高应力环境且其轴向近乎垂直于最大水平主应力是造成矿压显现剧烈的根源;基于自然垮落拱理论的成拱形态、锚杆组合梁和悬吊理论的组合压缩作用与悬吊作用,阐明了矩形断面巷道锚杆锚索支护时顶板低位“显形压缩梁”结构和高位“隐形压缩拱”结构的形成机制;在分析锚索锚固段所处位置岩性、自由段长度及锚尾施加预紧力大小对“梁-拱”锚固结构承载能力影响规律的基础上,提出了矩形断面半煤岩巷以锚杆配合锚索为主体支护构件的跨界高强支护技术方案,并开展了现场应用。实践结果表明：该技术有效地控制了深部高应力半煤岩巷持续变形,保证了围岩与支护构件的稳定与安全。     

深部矩形底煤巷围岩破坏失稳全过程宏细观演化特征研究

为研究深部矩形煤巷围岩破坏失稳全过程宏细观演化特征,以山东龙郓煤矿深部矩形底煤巷为背景,采用自主研制的深部地下工程结构失稳全过程模拟试验系统,从宏观尺度研究矩形底煤巷锚固围岩承载全过程的应力、变形和电磁辐射特征,获得锚杆支护和锚杆索支护模型的峰值强度比无支护模型分别增强31.49％和45.56％,其峰值位移同样增长76...     

丁集矿1311(1)工作面深部煤巷锚杆强化支护

丁集煤矿第一开采水平为-860 m,煤体强度低,煤巷帮部松散破碎范围普遍较大,加上顶板为厚层软弱复合顶板,矿井深部煤巷支护问题日益突出。以丁集煤矿1311(1)工作面深部煤巷为研究对象,分析了深部煤巷围岩的变形特征,提出了一套适合深部围岩控制的煤巷锚杆强化支护思路,通过实测矿压数据分析验证,所采取的支护参数有效的维护了深部煤巷的长期稳定,满足了矿井安全生产的要求。     

掘进巷道破碎顶板冒落区加固技术研究

针对夏店煤矿3120工作面回风巷道、掘进巷道局部区域破碎顶板易冒落、难支护的特点,分析了兼顾岩石自身承载力,梁形和拱形承载效应的梁-拱锚固支护技术,即采用低预应力等长锚杆与高预应力变长锚杆组合的梁-拱形支护方案。运用FLAC^3D研究了锚杆长度、锚杆间距、锚杆预应力对梁-拱支护结构的影响。结果表明：锚杆长度、布置间距是影响梁-拱承载效果的重要参数,当锚杆长度增加时,表现出明显的上位组合拱与下位组合梁的形式。锚杆间距增大时,梁-拱结构作用范围逐渐扩大,但应力区数值进一步降低。当长锚杆的预应力数值由小逐渐增大时,梁-拱锚固的结构效果逐渐明显。基于上述研究结果设计加固支护方案,现场监测表明：围岩两帮的位移量为31～57 mm,底鼓量为38～68 mm,顶板下沉量为15～25 mm,验证了梁-拱锚固支护方案的可靠性。     

煤巷破碎顶板锚固串结构及其力学性质分析

为了解决矩形煤巷破碎顶板稳定性差、锚杆支护设计理论针对性不强的问题,基于布辛涅斯克方程(Bossinesq)和莫尔强度理论,提出了新锚固串结构,并分析了锚固串结构的稳定机理及其力学性质.结果表明:通过合理的锚杆支护参数设计,可在顶板内形成由锚杆-破碎围岩组成的串状支护结构,顶板岩层稳定性增强;锚固力和锚固段长度是锚固串结构力学特性的主要影响因素.以锚固串结构为基础进行支护参数设计,可以降低冒顶事故发生的概率,为矩形巷道断面破碎顶板的支护设计提供理论基础和设计依据.     

基于梁-拱式组合结构的薄层状复合顶板锚固设计

为了保证薄层状复合顶板条件下矩形巷道围岩的锚固支护效果,通过相似模拟试验,基于锚固体强化理论和普氏压力拱理论,提出和验证了顶板锚固的梁-拱式组合结构.以岩体结构为中心,进行围岩锚固参数设计,根据库仑准则和锚固体梁的剪切破坏准则计算下位顶板锚固体梁的厚度,据此确定顶板锚杆长度;根据顶板上部普氏拱高确定锚索长度;根据直接拱脚在巷帮的深度和相邻帮锚杆作用重叠区域的相互关系,探讨了帮锚杆长度、间排距的确定及校核方法.研究表明:在保证两帮锚固稳定的前提下,通过锚索的悬吊作用,下位锚固体梁与上位普氏拱形成组合锚固体自承和承载结构.     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

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。     

极弱胶结地层煤巷支护体系与监控分析

针对极弱胶结地层煤巷围岩自稳能力差、自稳时间短、围岩变形剧烈等特征,采用FLAC3D深入揭示了矩形、切圆拱形与直墙拱形等3种断面形状煤巷开挖后围岩位移、塑性区及应力分布规律,确定了极弱胶结地层煤巷合理断面形状;结合国内外煤巷支护理论与技术,提出了极弱胶结地层煤巷"双层锚固平衡拱结构",基于煤层厚度与巷道埋深,分类提出了极弱胶结地层煤巷支护技术方案,模拟验证了支护方案的合理性与可行性;基于围岩变形与支护结构受力实时监测及分析,动态掌握了极弱胶结地层煤巷围岩变形与支护结构受力状态,评价了支护效果与验证了支护方案的可行性。监测结果表明,切圆拱形断面煤巷成型较好、受力均匀,有利于巷道围岩的整体稳定,提高了煤巷开挖后的自稳与承载能力;锚网索联合支护技术方案有效地控制了极弱胶结地层煤巷围岩大变形与破坏,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

深部破碎岩体巷道围岩控制技术研究

某金矿进入深部开采后,由于围岩破碎,巷道开挖后出现了明显的变形和破坏现象,难以满足其服务期间的稳定性要求。针对这一问题,采用现场调查、数值模拟和现场试验等手段开展了研究。首先,分析了巷道变形和破坏特征,认为该矿巷道破坏表现为两帮破坏,然后发展至顶板。其次,从充分利用深部破碎岩体自承能力的角度出发,提出了马蹄形巷道设计方案,并采用数值模拟的方法分别模拟了矩形巷道,直墙半圆拱巷道,直墙三心拱巷道和马蹄形巷道的开挖过程,结果显示当采用马蹄形巷道时,能够减小围岩应力松弛区的范围,改善围岩的受力条件,极大限度地抑制了围岩的变形和破坏。再次,给出了优化的马蹄形巷道支护方案,在传统只采用顶板锚杆的基础上增加两帮锚杆和穿带,其中,顶板锚杆间距 1.5 m,两帮锚杆间距 1.0 m,排距均为 1.0 m。最后,将得到的马蹄形巷道方案应用到该矿-900 m 分段联巷的工程实践当中,结果表明马蹄形巷道施工后围岩没有发生明显的变形和破坏,取得了较好的施工效果,保证了巷道的稳定性。通过本研究可以为该种类型的深部破碎岩体巷道的围岩控制技术提供参考和借鉴。     

深井高应力破碎软岩巷道过断层支护技术研究

针对深部软岩破碎巷道遇断层后,巷道围岩变形量增大、易造成顶板垮落、底鼓变形破坏剧烈等问题,对高应力软岩巷道过断层支护机理进行了研究。通过采用数值模拟与现场实践相结合的方法,确定“金属网、U型钢拱支架、喷浆、注浆和锚索”的综合支护方式。应用结果表明,巷道顶底板和两帮的变形量大大减小,有效控制了深部高应力破碎软岩巷道的大变形和底鼓,保证了巷道围岩稳定。     

大采高大断面回采巷道区段煤柱宽度的优化研究

针对王庄煤矿大采高工作面两巷掘进支护和回采期煤体破碎严重、围岩变形量大、巷道维护困难的情况,综合采用数值模拟和工程实践分析的方法,结合6110工作面地质条件,系统地分析了不同宽度区段煤柱下巷道围岩的应力演化及变形规律,得出了区段煤柱合理宽度为6 m。在此基础上提出了"高强度预应力锚杆配合金属菱形网和双筋梯子梁基本支护、小孔径预应力锚索补强支护、单体液压支柱配合金属铰接顶梁加强支护"的巷道围岩控制技术。实践表明,试验巷道断面完全可以满足回采期间的通风行人要求,巷道维护状况良好,经济社会效益显著。     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。     

顶煤破坏区采动影响下巷道变形机理与控制技术

为解决顶煤破坏区下破碎围岩巷道变形大、破坏严重的难题，以韩咀矿32103工作面辅运巷为研究对象，采用现场实测及理论分析相结合的方法对巷道围岩应力分布及变形机理进行研究。结果表明：32103辅运巷道顶板存在的顶煤破坏区呈非连续分布，32103辅运巷道围岩应力环境调整及顶煤遗留煤柱与区段煤柱有效承载宽度减小是导致巷道矿压显现明显的主要原因。基于上述探测及理论分析结果，提出以“深浅孔注浆+锚网索”联合支护为主的巷道围岩控制技术及以“架棚+底板卸压”为主的加固技术。现场应用结果表明：采用新支护方案后，32103辅运巷道围岩最大顶底板移近量为70mm，最大两帮收敛量为48mm，支护锚杆未出现破断现象，且锚杆受力与围岩变形均在合理区间，巷道支护效果良好。     

整合矿井沿空巷道围岩破坏机制及支护优化

针对整合矿井巷道掘进揭露采空区时煤柱宽度变小所导致的巷道持续变形、原有支护失效的围岩控制难题,分析了不同宽度煤柱条件下沿空巷道的顶板结构及应力场分布状态,得出支承压力峰值位置随煤柱宽度的变化规律,巷道原有支护失效的主要原因为围岩的应力环境差及支护强度低。通过数值软件模拟了不同巷道断面的围岩应力分布状态,提出采用U型钢可伸缩拱形支架进行原有矩形巷道断面的优化,并结合水泥背板及充填缓冲材料构建巷道空间。近两年的监测结果表明,错车硐室2表面位移值为0,巷道喷浆完好,未发生开裂剥落等破坏现象,表明采用U型钢可伸缩拱形支架进行揭露采空区段巷道的支护优化是合理可行的,为类似地质条件下的巷道支护提供了技术借鉴。