软弱夹层复合顶板动压巷道支护技术研究

以沁新煤矿2210顺槽软弱夹层复合顶板为研究对象,用数值模拟手段对3层复合顶板锚杆预应力场分布规律进行研究,揭示了围岩在软硬不同岩性岩石中的应力传递效果,认为应将锚固段置于硬岩中,有利于锚杆应力在结构面处的扩散,发挥锚杆的支护作用。根据沁新煤矿2210顺槽实际情况,设计“动态锚固-应力扩散”的支护方案,通过矿山安全性监测表明巷道支护效果良好,形成较好的工程示范效果。     

煤柱内大断面复合顶板巷道围岩控制技术

为了研究顶板内软弱夹层对煤柱内大断面巷道围岩稳定性的影响及控制技术,针对昊锦塬煤矿复合顶板巷道围岩严重变形的问题,运用理论分析、数值计算并结合工程实践等方法,研究了顶板内软弱夹层对煤柱内大断面巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:当该矿巷道顶板软弱夹层厚度0.81 m时,巷道顶板极不稳定,易发生离层,须对顶板和两帮加强支护;运用ANSYS数值模拟及理论计算确定锚杆支护长度为2.6 m;加长锚杆长度使软弱夹层位于锚杆锚固区域内;增大锚杆直径,增强锚杆的抗拉、抗剪能力;加大锚杆预应力,使顶板及时恢复三向受力,能够有效的控制顶板的离层及两帮的变形。     

高预应力锚杆在软岩地层斜井巷道的应用

在分析软岩巷道围岩变形与破坏特征的基础上,采用有限差分数值计算软件FLAC3D模拟分析了北京木城涧煤矿穿越软岩地层斜井巷道在高预应力强力锚杆端部锚固与全长锚固支护下预应力在巷道围岩中的分布特征.结果表明:不同类型岩层对巷道围岩受力与变形影响明显;相对于端部锚固,全长锚固能使锚杆的锥形压应力区相互叠加,锚杆预紧力扩散到大部分锚固区域,更能充分发挥锚杆整体支护的效果.现场试验表明,高预应力锚杆全长锚固支护方式能够有效控制软岩巷道顶部和两帮煤岩体的大变形.     

组合岩层端锚锚杆预应力场分布规律模拟研究

在不考虑原岩应力的条件下,通过有限差分数值模拟软件FLAC3D,对软硬岩层不同组合条件下锚杆预应力场分布规律进行数值模拟研究。结果表明,在软岩和硬岩中,较高的连续压应力分布范围基本一致,但锚杆产生的压应力由软岩层向硬岩层方向传递的效果要明显优于压应力由硬岩向软岩传递的效果。现场支护中,可通过施加高预紧力来扩大锚杆支护有效压应力区范围;同时可调整锚固段或锚杆长度,使结构面位于压应力较高的有利位置,避免锚杆因水平应力的影响出现剪断或离层现象。     

典型锚杆支护巷道含软弱夹层顶板组合梁模型新研究

分析了锚杆支护巷道的悬吊理论和围岩强度强化理论的优缺点,在此基础上详细论述了含软弱夹层巷道锚杆支护的预应力围岩强化组合梁理论。锚杆的预应力越大,岩石的围压越大,围岩强化作用越明显,同时锚杆的预应力减小了梁的弯曲挠度,有助于防止顶板离层。借助岩石力学的本构理论,推导出巷道预应力围岩强化组合梁的本构模型和本构方程,进一步分析了软弱夹层位于锚杆锚固区内、锚杆锚固区边缘、锚杆锚固区外等3种条件下的锚杆支护情况。     

矿井复合顶板应力分析及支护对策

针对复合顶板支护失效、应力测试困难问题,杜儿坪矿73092工作面进行地应力测试,对复合顶板围岩结构进行了受力分析和数值模拟分析。分析表明:当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围外时,调小锚杆锚索排距至1000~1100 mm;当节理、软弱夹层等复合岩层主要分布在锚杆支护范围内时,建议采用顶板全锚索支护,长度5300 mm左右,排距1200 mm,同时增加帮锚索数量至每排2根,进一步加强煤帮变形控制。     

高强度锚杆支护技术及在大断面煤巷中的应用

在分析目前大断面煤巷锚杆支护存在问题的基础上,论述了对锚杆支护机理的新认识,开发了适合于大断面煤巷支护的高强度锚杆,并采用FLAC3D有限差分程序对不同锚杆支护参数巷道围岩应力场分布特征与规律进行了模拟分析。结果表明：预紧力是锚杆支护系统的决定性参数,增加锚杆预紧力能有效增大巷道围岩压应力场应力值及扩散范围;锚杆长度的选择应充分考虑锚杆预应力、巷道围岩破碎程度与可锚性;对于相同锚杆材料,直径越大强度越高,预应力扩散范围越大;锚杆垂直于岩面布置时,巷道围岩形成的压应力区分布更加均匀,锚杆预应力叠加效果更好。井下试验表明,高强度锚杆支护技术为大断面煤巷提供了有效的支护手段,巷道掘进期间两帮移近量25.0 mm,顶底板移近量16.6 mm,能有效控制围岩的强烈变形。     

特厚煤层大断面复合顶板煤巷支护技术

针对某矿辅助运输大巷变形严重、返修量大的支护难题,对巷道顶板复合结构变形机制进行了力学分析,揭示出巷道顶部锚固层厚度、顶板软弱夹层与锚固区相对位置及锚杆(索)预应力是影响此类巷道稳定的重要因素;运用FLAC3D数值模拟软件对不同支护参数的控制效果进行了研究,结合现场生产地质条件综合确定了"高强高预应力锚杆(索)+金属网+W型钢带+喷射混凝土"联合支护方案。现场实践表明,巷道顶底板移近量以及两帮移近量明显减少,围岩变形得到了有效的控制。     

复合顶板稳定性分析及支护参数设计

为了研究复合顶板下沉量大、支护失效等矿压现象,总结了不同围岩条件下复合顶板的破坏形式,以临汾恒昇煤业9102工作面回采巷道为研究对象,采用顶板离层监测、钻孔窥视、数值模拟等方法,揭示现场复合顶板巷道失稳机理。研究分析及数值模拟结果表明,锚杆支护下在顶板浅层形成的"锚固梁"要满足强度要求;锚索支护下,将"锚固梁"与深部岩层组合,使顶板满足位移要求,从而达到控制巷道稳定性的目的。改进的支护方案顶板最大拉应力和剪应力分别减少了55%和33%,"锚固梁"垂直方向应力是原支护方案的4倍,顶底板和两帮的位移量均小于100 mm,满足现场安全回采要求。基于锚杆、锚索耦合支护模型为复合顶板巷道支护提供了分析方法,为同类巷道支护设计参数的选择提供了借鉴。     

典型锚杆支护巷道软弱夹层顶板力学模型研究

分析了当前锚杆支护巷道的几种力学模型的优缺点,在此基础上详细探究了含软弱夹层巷道锚杆支护的预应力围岩强化组合梁理论,锚杆对巷道顶板起到悬吊作用、组合拱作用、加固作用等,锚杆的预应力越大,岩石的围压越大,围岩强化作用越明显,使巷道受力从类似单轴受压向三轴受压转换越明显。借助岩石力学的本构理论,推导出巷道预应力围岩强化组合梁的本构模型和本构方程,进一步分析了软弱夹层位于锚杆锚固区内、锚杆锚固区边缘、锚杆锚固区外等三种条件下的锚杆支护情况。     

近距离煤层开采分组集中大巷稳定性数值模拟分析

针对西北地区某矿近距离煤层开采分组集中大巷稳定性问题,建立了近距离煤层开采分组集中大巷稳定性数值计算模型,分析了近距离煤层开采后顶板位移、顶板应力、围岩应力演化规律、锚杆（索）预应力场以及裂隙场演化规律。结果表明：（1）近距离煤层开采之后,大巷煤柱两侧的顶板发生断裂垮落,距离大巷煤柱越远,顶板下沉量越大;(2)随着近距离煤层开采,大巷之间保护煤柱的集中应力逐渐消失,工作面两侧大巷保护煤柱中出现10 MPa的应力集中现象,应力降低区范围大大增加,应力转移到左右工作面大巷保护煤柱中;（3）随着煤层开采,大巷围岩在地应力场与锚杆（索）预应力场的叠加场影响最小主应力的压应力逐渐增加,并在巷道周围形成了一个闭合连续的压应力带,其范围不断增大,最小主应力值逐渐减小,且下层煤的开采使上层煤的大巷锚杆（索）所受的力增加;（5）下层煤的开采使得上层煤两侧工作面大巷保护煤柱的剪切破坏带深度增加,最大破坏深度增加14 m,下层煤的大巷只在两帮出现深度为2 m的剪切破坏区,而两侧工作面的大巷保护煤柱出现10 m的剪切破坏。     

新型锚索锚具的研究

锚索应用于煤巷时,当锚孔与顶板斜交,顶板倾斜,或孔口围岩破坏,锚索将在孔口处受到剪切应力,减弱锚索的支护能力,许多锚索在孔口发生破断,因此,设计出球面锚索锚具,可以自动调节锚索中心线和锚孔中心线之间的角度,改变孔口的受力特征,减小剪切应力,提高锚索的性能。     

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。     

错层位外错式沿空掘巷机理及相邻巷道的立体化联合支护技术

针对特厚煤层中应用错层位外错式沿空掘巷与相邻巷道的立体化联合支护机理展开研究。首先理论分析了错层位外错式沿空掘巷布置特点,发现:① 沿煤层顶板及起坡下方的三角煤体保持稳定且对实体煤提供侧向支承应力σx作用,因此一侧采空情况下实体煤从上至下出现了新的变化,即侧向支承应力从0增加至σx;② 依据巷道布置层位与侧向支承应力的不同,将特厚煤层从上至下进行了分区,分别为一侧采空实体煤分区、过渡区与弹性区;③ 布置接续工作面沿空掘巷时,其围岩处于弹性状态,巷道顶部属于一侧采空实体煤内的破碎区、塑性区,因此承载小,也即实现了围岩稳定与载荷低二者之间的统一。利用相邻两条巷道高、低不同这一立体化空间关系,提出相邻巷道的立体化联合支护技术,分析其特点包括:① 沿煤层顶板布置巷道,主动支护可打入深部稳定岩层内;② 通过加强一侧采空实体煤内的加固作用,为相邻沿煤层底板巷道提供锚固点;③ 底板沿空掘巷顶部支护体可深入顶板岩层、联合锚固区与过渡区,可实现全长锚固以更加充分发挥支护作用。为了验证前述理论成果,采用数值模拟进行计算分析,发现:① 采用错层位外错式沿空掘巷技术,显著改善了沿空巷道围岩性质与应力分布现状,实现了低应力与围岩稳定二者的统一,且验证了前述对错层位外错式沿空掘巷特厚煤层纵向分区的成果;② 零原岩应力场条件下联合支护效果较为明显,沿顶巷道顶板锚索深入基本顶段、巷帮一侧锚固段、沿底巷道顶板锚索深入岩层内与联合锚固区均出现应力集中作用,显著改善了沿底巷道单巷支护受顶煤厚度限制无法形成有效锚固点的现状;③ 在对实际工程背景的数值计算发现,与沿底巷道围岩大范围破坏且无法控制相比,采用错层位外错式沿空掘巷相邻巷道联合支护技术可显著控制沿空巷道围岩破坏范围。     

巷道动力失稳下围岩松动特征分析及支护参数选取

针对煤矿开挖导致的巷道动力失稳问题,为了提升煤矿巷道安全性,对巷道动力失稳下围岩松动特征分析及支护参数选取问题进行研究。给出乌东煤矿工程概况,在巷道设3个监测点,当动力失稳现象出现时,分析巷道围岩物理学性能,对煤矿巷道动力失稳下巷道表面位移进行监测,并进行实验分析,通过实验结果实现围岩支护参数选取。实验结果表明,动力失稳现象会导致围岩岩样的抗压强度变低;在距离工作面距离为90 m时,顶底移近与两帮收敛的变形速率最大;当监测点的监测日期逐渐上升,顶板的锚杆受力与锚索受力不断加大,其中锚索受力相对较高,而锚杆下帮受力要低于锚索上帮受力。按照实验结果设计支护参数,以防止围岩松动变形对巷道带来影响。     

预应力锚杆(索)群连锁锚固技术的试验研究

为了提高巷道围岩锚固体的强度、刚度和抗变形能力,基于锚杆(索)锚固作用机理,提出了"高预紧力、高强度、高刚度、高锚固力和低密度"的设计理念。采用高强锚杆(索)及组合构件作为锚固材料,利用连锁构件将锚杆(索)群进行横向与纵向的连锁,通过给锚杆(索)提供高锚固力和高预应力,从本质上调动锚杆(索)群的主动锚固作用,使其与锚固岩体共同形成有机的承载结构,有效减小巷道围岩变形与破坏,改善巷道安全状况。现场试验表明,这样的设计理念和技术应用,能够较好地解决巷道围岩顶板断裂节理发育、变形不均匀和掘进速度慢等问题,具有合理性与适用性,同时可产生良好的经济效益,值得应用和推广。     

预应力端锚锚杆全锚后承载分布特征分析

为了分析锚固方式对锚杆承载特征的影响程度,便于巷道锚杆支护设计选型,本文采用理论分析和现场实测的方法,对比了全锚锚固和端部锚固条件下锚杆轴向力与剪应力分布特征.研究结果表明:锚杆承载分布特征与锚固条件、预应力、锚杆直径和围岩强度等密切相关;锚杆轴向力沿锚固段呈现单向递减趋势,锚杆剪应力沿锚固段呈现先增大后减小趋势,主要...     

坚硬顶板1-1022巷锚网索梁主动控制技术研究

为充分发挥巷道围岩自身承载性能,以1-1022巷为工程背景,分析了坚硬顶板下巷道主动控制的可行性,以强化直接顶松软岩层、充分利用基本顶坚硬岩层为理念,以高强度、高预紧力锚杆主动支护和预应力锚索强化支护为核心,开发了坚硬顶板下锚网索梁主动控制技术,有效控制了试验巷道围岩变形。     

复合顶板煤巷变形破坏机理及支护对策

通过顶板组分测试、岩层稳定性力学分析、复合顶板变形破坏过程分析和现场监测等手段,对复合顶板煤巷的破坏机理进行系统研究,提出适合该类巷道的合理支护方式。研究结果表明:煤巷两顶角为剪切应力集中区,应及时加强支护,使顶板锚固层三铰拱有足够的法向锚固力,从而抑制岩层发生剪切滑移;顶板两顶角锚杆、锚索分别向两帮倾斜20°,可有效控制复合顶板煤巷的破坏。     

高预应力锚杆支护对煤与瓦斯突出控制作用研究

采用FLAC3D和COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件分别对不同支护条件下高瓦斯煤层掘进巷道周围煤岩体应力场、能量场分布特征和煤层瓦斯流动规律进行研究。研究结果表明：锚杆预应力在巷道断面上形成整体压应力结构,在掘进推进前方,后方支护区域的锚杆预应力形成连续分布的压应力带,使预应力扩散到空顶区。预应力越大扩散范围也越广,对抑制空顶区煤岩破碎、变形有重要作用;高预应力锚杆支护能减少煤岩体内能量集中,但不会产生瓦斯积聚;高预应力锚杆支护能在一定程度上降低煤与瓦斯突出的危险。