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。     

综放工作面沿空留巷“错动”变形破坏机制及其控制

为了解决厚煤层大断面沿空留巷矿压显现强烈、维护困难、复用前修巷工程量大等问题,以晋城矿区唐安煤矿沿空留巷为工程背景,通过井下观测、理论分析和工程试验,分析综放沿空留巷围岩变形破坏特征和整体变形模式,提出针对性的围岩变形控制对策并在现场实施和验证。研究表明：综放沿空留巷变形主要表现为顶煤切顶下沉、巷旁支护劈裂歪斜、煤帮挤出和底鼓,不同位置围岩变形破坏呈现整体关联性;围岩变形整体呈现“错动”模式,对沿空留巷整体结构变形起控制作用的主要是回采空间顶板回转和向外侧移,以及底板在水平应力作用下向巷内挠曲,在顶、底、煤帮、巷旁支护综合作用下,形成趋向采空区的“错动”变形形态。基于留巷“错动”变形特征,提出沿空留巷围岩变形控制对策：巷旁混凝土墙支护采用薄墙体、高强度、预设迎山角的形式,巷内顶、帮补强支护,留巷“切顶控制”补强支护,超前工作面顶板区域水力预裂卸压。新技术方案现场试验和监测表明,回采后采空区顶板及时断裂,留巷应力环境明显改善,巷旁支护墙体完整,留巷围岩变形控制效果显著。     

综放工作面二次动压巷道围岩变形破坏与控制技术研究

针对综放工作面二次动压巷道变形破坏严重的情况,以不连沟煤矿F6207辅运巷为研究背景,通过现场监测和数值模拟分析得出不连沟煤矿综放工作面二次动压巷道变形破坏与应力演化特征。提出"强帮控顶、高支护材料强度、高围岩控制刚度"的围岩控制技术理念,提出新掘二次动压巷道的支护方案。新支护技术现场应用后,锚杆索受力状态良好,围岩顶帮位移量相对原支护明显降低。     

干河矿煤巷锚杆支护力学模型及数值分析

旺采法中采场巷道服务时间各不相同,为了使支护设计具有针对性,利用力学和数值模型分析了煤巷变形特点。根据"岩梁"理论,建立煤巷顶板力学模型,获得了顶板岩层厚度与煤巷跨度、直接顶容许拉应力之间的双曲关系。结合FLAC3D,分析了支护部位不同时围岩及锚杆力学响应,明确了煤巷支护的重点是角部和两帮,单独进行两帮支护对围岩的控制效果优于单独顶板支护,支巷两帮可以采用玻璃钢锚杆。分析了锚杆参数对围岩的影响规律,证明加强两帮支护可以实现"强帮护顶",帮锚杆长度存在最优值。     

切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用

基于切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术原理,分析了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮的形成机理,建立了沿空留巷围岩结构模型,明确了顶板岩层运动特征;通过结合现场实测数据分析了采空区矸石运动特征,提出了将矸石运动过程划分为两大阶段,即快速垮落阶段和缓慢压实阶段,揭示了在矸石不同运动阶段矸石与碎石巷帮支护结构相互作用关系;基于顶板岩层及矸石运动特征提出了"侧向动静结合、纵向伸缩让压"的碎石巷帮控制思路,同时针对不同煤层开采厚度开发了3种不同的碎石巷帮控制结构,形成了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术碎石巷帮稳定性控制体系,并在现场进行了支护应用,取得了良好的应用效果。     

深井沿空留巷顶板变形破坏特征与控制对策研究

针对深井沿空留巷顶板出现的离层破碎难以形成承载结构甚至发生冒顶灾害的控制难题,综合现场调研、理论分析及实测方法,将其变形破坏形式进行归纳分类并深入分析,提出了"多支护结构"控制系统,研究了新系统的组成结构、控制原理、支护材料和支护时序。结果表明:1)顶板支护结构稳定性弱、跨度大、倾斜角度大和顶帮协同承载能力低是造成其变形破坏的主因;2)"多支护结构"控制系统包括强化锚固体系承载性能、强化碎裂煤岩体强度、强化顶帮协同承载结构和卸荷减跨,此系统可保证顶板结构完整,提高顶帮协同承载能力。研究成果在潘一矿东区进行推广应用,对类似条件巷道支护具有一定的理论意义和参考价值。     

大斗沟矿8206胶运顺槽切顶卸压留巷技术研究

为提高矿井煤岩采收率并缓解采掘接替紧张局面,以大斗沟矿8206工作面为工程背景,提出采用切顶卸压留巷保留下8206胶运顺槽为邻近采面生产服务,根据巷道具体地质条件对切顶卸压留巷技术方案进行设计,并进行现场应用。结果表明:通过在留巷段进行超前切顶卸压可为留巷段围岩控制创造良好应力环境,确保留巷段顶底板及巷帮围岩稳定;在架后采动影响显著区采用以切顶护帮支架、单体以及工字钢为主的支护措施可有效控制顶板下沉;现场应用时顶底板、巷帮变形量分别控制在120、65 mm以内,围岩变形量整体较小,现场取得较好应用成果。     

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。     

东保卫矿倾斜煤层厚硬顶板沿空切顶成巷关键参数研究

倾斜煤层厚层坚硬顶板条件是东北地区煤矿开采面临的常见条件,以东保卫煤矿倾角25°、14 m厚砂岩顶板为研究对象,采用力学理论分析,推导出了倾斜煤层厚硬顶板切顶支护阻力参数计算公式;采用UDEC数值模拟发现,切顶高度增加可以在减小围岩变形量、减小煤帮峰值压力并促使应力峰值向煤壁深处转移等方面起到卸压作用;切缝角度增加,围岩变形呈先减小后增大、煤帮应力峰值大小以微弱变化向深部移动的规律;最后基于砌体块体稳定理论,得出切顶高度和角度的理论计算方法。将研究成果综合应用于工程中,确定了东保卫煤矿三采区-620左面工作面成巷切顶高度为7.4 m、切顶角度为20°、爆破参数装药结构为4+4+2、巷内支护阻力为2741 kN的参数设计值,以及分区支护范围数值,现场工业试验表明,留巷成型良好,可为同类条件切顶留巷设计及应用提供有益参考。     

特厚煤层大断面强烈动压巷道支护技术

针对斜沟煤矿23105工作面14.5 m特厚煤层皮带巷大断面强烈动压巷道支护技术难题,采用理论分析和数值计算相结合的方式,分析了巷道变形机理和应力分布特征,提出了特厚煤层大断面强烈动压巷道支护控制技术。经现场应用可得,采用高预应力强力顶、帮耦合支护技术有效控制了特厚煤层大断面强烈动压巷道变形,取得了良好的支护效果。     

切顶留巷下挡矸支护研究

针对切顶留巷下采空区侧帮碎落矸石压力导致采空侧帮变形量增大、矸石涌入巷道等问题,提出了具有一定抗弯强度的曲线挡矸柱对采空侧帮挡矸支护方法。基于力学分析,研究了采空侧巷旁受力特点,建立了采空侧支撑结构简化力学模型,推导了巷旁顶、底板压力和矸石侧压的计算方法,并对垂直和曲线挡矸柱进行了结构分析。     

回收残留煤柱巷道布置方式与控制技术研究

采用理论分析、数值计算与现场工业性试验等综合研究手段,基于对残留煤柱内支承应力分布规律的分析,确定了采空区边缘煤体应力降低区的范围为0~5m,通过对不同护巷煤柱宽度下窄煤柱应力分布规律与变形特征的数值分析,合理确定护巷煤柱宽度为4m;并针对性提出沿空掘巷围岩控制对策:高强度高预应力锚杆(索)联合支护;水力膨胀锚杆全长锚固加固窄煤柱帮,确定了试验巷道围岩控制技术与参数,成功应用于现场工业性试验,围岩控制效果显著。     

煤巷围岩应力分布特征及帮部破坏机理研究

为探究煤巷开挖围岩应力分布特征,并基于此分析巷帮破坏机制及其影响因素,采用数值试验研究手段分析了煤巷开挖围岩垂直与水平应力分布规律及巷帮高度的影响,围岩应力变化全过程;构建了开挖卸荷应力路径下巷帮破坏机制理论模型,将受卸荷应力作用的巷帮煤体分为破裂区、塑性区及弹性区,推导了巷帮煤体破裂区及塑性区应力、破裂区宽度、非弹性区范围及水平位移的解析表达式。研究结果表明:开挖将导致巷帮一定范围内煤体所受垂直应力增加,水平应力不断降低,二者之间差值不断加大,围岩逐渐由三向受压变为只有两向受压,应力平衡状态被打破,变形破坏将会发生;应用高预应力强力锚杆支护后,能够在巷道围岩内部产生一定范围压应力场,巷帮煤体又逐渐恢复到三向受压状态。经工程实例验证可知,在一定范围内提高支护强度,能够降低巷帮变形破坏程度,但影响逐渐减弱。     

砂岩顶板薄煤层沿空留巷支护技术

针对砂岩顶板条件下采煤工作面沿空留巷围岩变形大、支护难等问题,通过数值模拟软件模拟了沿空留巷围岩变形及应力分布特点,并对沿空留巷围岩变形控制进行了分析。提出了采用"锚杆+锚索"的巷内基本支护和单体液压支柱作加强支护限制顶底板移近,对充填体补打支护锚杆限制充填体向巷道方向的横向运动的支护方法,并进行了现场试验。试验结果表明,采用该技术后,巷道围岩变形得到了有效控制,为工作面的正常生产创造了条件。     

复杂围岩受损动压巷道修复技术研究

以代池坝煤矿31342综采工作面运输巷复杂围岩为研究对象,研究了复杂围岩受损动压巷道变形破坏特征及破坏机理,提出了"强顶、固帮、减跨补强、控底"修复思想及在原支护基础上采用单体支柱配合锚网索修复技术方案。应用FLAC~(2D)有限元计算软件对巷道加固前后围岩应力状态、变形特征进行了数值模拟分析,并对修复方案进行参数优化。现场应用表明提出的修复方案较好地控制31342综采工作面运输巷的变形,保证巷道围岩的稳定性。     

无煤柱自成巷开采巷道矿压显现特征及控制对策

切顶卸压无煤柱自成巷开采技术是煤炭开采的一项新技术,为了探索该技术条件下的巷道矿压显现特征,建立顶板岩层结构力学模型,并提出"承压结构"和"卸压结构"的概念。经分析,前者是上覆岩层压力的主要承载体,可在矸石和煤体的支撑作用下保持平衡,其断裂位置和运动位态是影响巷道围岩变形的最主要因素;后者则在前者保护和顶板切缝的影响下始终处于卸压环境,并与巷内支护和巷帮煤体共同作用形成稳定的内圈结构。通过对两者的变形特征进行计算和分析,初步形成了利用顶板切缝控制"承压结构"变形和利用NPR恒阻大变形锚索支护控制"卸压结构"变形的基本思路,同时给出了顶板切缝和顶板支护参数的计算方法,为现场方案设计提供了理论依据。综合上述理论分析和现场实测数据,得出切顶卸压无煤柱自成巷开采工作面后方巷道围岩变形可划分为3个阶段,即卸压影响期、动压变形期和压实稳定期,并分析了各阶段的顶板运动和矿压显现特征。基于以上研究成果,针对切顶卸压无煤柱自成巷开采,提出精准切缝、非对称支护、分区支护、高预应力(初撑力)主动支护以及关键部位加强支护等巷道围岩稳定性控制对策,经现场试验验证,效果良好。     

深井沿空切顶巷道围岩协同控制及应力演化规律

为解决深部沿空留巷动压显著﹑难支护的问题,基于切顶沿空留巷技术原理,对深部沿空切顶巷道卸压效果﹑围岩应力演化规律及控制技术进行深入研究。超前顶板切缝切断了采空区顶板向留巷顶板传递应力的路径,避免了采掘应力叠加,消除了工作面端头与回采巷道交叉口的"应力尖角";切缝可使一定范围内工作面支架平均压力和周期压力减小,随着远离切缝,影响逐渐消失;直接顶悬臂梁长度的减小和基本顶有效荷载的降低是导致支架平均压力和周期压力下降的主要原因。根据深部地质力学环境及岩体变形特征,构建"恒阻主动让压控制顶板、柔性可缩让位抗侧压、高阻临时支护抗动压,加大支护长度护煤帮"的深井沿空切顶巷道围岩协同控制体系,并在城郊煤矿21304工作面进行现场试验。结果显示:构建的协同控制体系能有效控制深部岩体变形,取得较好的应用效果。     

高水材料充填沿空留巷应力控制与围岩强化机理及应用

高水材料被广泛应用于不同条件下的薄及中厚煤层沿空留巷、部分条件较好的厚煤层沿空留巷,形成了丰富的高水材料充填沿空留巷围岩控制实践。基于高水材料充填沿空留巷理论研究和现场实践,以应力控制与围岩强化为主线,分析了充填留巷围岩在巷道掘进、工作面超前采动影响、留巷围岩调整稳定和邻近工作面复用4个阶段的应力与变形特征,提出了“基本顶二次破断”的覆岩顶板运动特征。以青龙同昌煤矿15102工作面沿空留巷为背景,数值模拟研究了留巷过程中围岩应力和塑性区分布特征,揭示了充填留巷覆岩基本顶的旋转下沉是留巷巷道所受外力的主要来源;在此基础上,提出了充填留巷围岩控制的关键区域,根据高水材料固结体的较强塑性变形特性,提出了高水材料充填沿空留巷围岩分时分区强化机理,确定了合理的高水材料充填体支护阻力计算式、留巷顶板离层计算式和实体煤帮的支护强度计算式,给出了高水材料充填沿空留巷围岩控制关键参数设计方法,关键参数包括充填体支护阻力(充填体宽度和强度)、顶板支护强度(巷内支护和临时支护)、实体煤帮支护强度。介绍了山西高平青龙同昌煤业15号煤层和赵庄煤业9号煤层高水充填沿空留巷围岩控制2个应用实例,留巷围岩变形控制效果...     

综放沿空留巷顶板下沉规律与控制

针对综放沿空留巷顶板下沉控制困难问题,揭示了综放沿空留巷顶板下沉规律,建立了顶板下沉力学模型,结合损伤力学和能量守恒理论,推导出了顶板下沉量的理论公式,在此基础上对其影响因素进行了分析,提出了综放沿空留巷顶板下沉控制对策,并进行了工程应用。结果表明:顶板下沉量理论计算公式与现场实测值基本一致;各因素对顶板下沉影响程度依次为:巷旁支护体宽度、直接顶有效弹性模量、基本顶给定载荷、关键块破断位置、巷旁支护体有效弹性模量、巷内支护阻力、巷道宽度、顶煤有效弹性模量。顶板下沉控制对策应围绕关键性影响因素进行,据此提出"锚网索+高强度墩柱+木垛"耦合支护方式,即采用锚杆+锚索+高强度钢筋网进行巷内耦合支护,巷旁采用高强度墩柱支护,并用木垛进行巷旁加强支护。工程应用表明,综放沿空留巷围岩变形稳定,顶板下沉得到了有效控制。     

深部煤柱留巷"卸-支-注"协同控制原理及实践

针对深部煤柱留巷围岩控制难题,在分析煤柱留巷围岩破坏机制的基础上,建立煤柱留巷力学模型,分析支护力、采动应力、煤岩体力学属性与莫尔圆间的相互关系,提出深部煤柱留巷"卸-支-注"协同控制原理。通过对煤柱上方支承压力进行人工调控,降低支承压力峰值和转移应力峰值位置,使其远离煤柱留巷,降低煤柱留巷的采动应力;对破碎围岩进行强力支护,增加巷道围岩的支护力,提高煤柱留巷围岩自承载能力;对煤柱留巷破碎围岩进行注浆改性,提高煤柱留巷围岩内聚力和内摩擦角等力学参数,有效改善煤岩体力学属性,使煤岩体由极限平衡状态过渡至弹性安全状态。通过协调"卸压-支护-注浆"三者的时空关系,使留巷结构体形成合理的能量耗散机制,使留巷结构体由不稳定状态转变为稳定状态。现场应用结果表明:采用"卸压-支护-注浆"协同控制技术后,煤岩体强度提高34.45%,锚索受力降低50%以上,煤柱留巷两帮移近量降低40.79%,顶底板移近量降低69.80%。"卸压-支护-注浆"协同控制技术有效改善了煤柱留巷的围岩力学属性和应力状态,实现了对王坡矿深部煤柱留巷围岩稳定的有效控制。