采动影响下巷道群稳定性数值分析研究

以采动巷道群稳定性为研究对象,采用数值计算模拟研究方法,研究了工作面煤柱不同留宽对巷道群稳定性的影响.分析了不同煤柱留宽时采场侧向支承压力分布规律;分析采场侧向支承压力对巷道群的影响.得到留宽140m时煤柱内侧向支承压力影响至煤柱内部70m左右,在采宽120m时,煤柱内部的垂直应力就已受到采动支承压力以及巷道支承压力的叠加影响.在不对巷道群加强支护的情况下,合理的煤柱留宽为120m.     

大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理与支护技术

为解决大倾角煤层旋采巷道围岩变形控制难题,以潘北矿12124大倾角煤层回采巷道为工程背景,采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了旋采巷道破坏规律及上采空区支承压力对巷道的影响,分析得出大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理。结果表明:(1)旋采巷道拐点处断面较大,且受到上采空区及超前支承压力影响,巷道应力值增大,支护体压缩破坏失稳;(2)旋采至拐点前10 m处采空区煤柱应力与采动应力贯通,同时大倾角下巷道受到上覆岩层剪切应力影响,巷道变形增大。通过分析及工程实践,提出并实施了巷道卧底扩刷、锚网索联合支护方式,有效控制巷道变形,取得较好的社会效益。     

极近距离煤层回采巷道合理位置确定方法探讨

运用数值模拟分析方法,研究煤柱支承压力在底板的分布规律.研究结果表明,煤柱底板的应力分布具有明显的非均匀分布特征,应力集中程度最高地方在煤柱下,向采空区发展则应力集中程度迅速降低;分析非均匀荷载状态下巷道易于变形和破坏的原因,得出在非均匀的荷载作用下,巷道支护体结构更易出现局部过载,产生局部破坏,最终可能导致支护体结构失稳.指出在布置下部煤层回采巷道中,除避开煤柱支承压力增高区外,还应考虑煤柱下底板应力分布状态非均匀性的影响,应力分布状态的非均匀分布特征可用应力改变率衡量.提出采用应力改变率确定极近距离下部煤层回采巷道的合理位置方法,并通过现场实践证明该方法可行.研究结果对类似条件下巷道合理布置具有一定指导意义.     

动静荷载联合作用下冲击地压巷道破坏机制大型地质力学模型试验研究

采用静载模拟巷道初始地应力场,TNT爆炸模拟冲击地压,利用大型地质力学模型试验机对巷道在动、静荷载联合作用下的响应规律进行研究.试验中施加了相当于相似材料单轴抗压强度的最大静压力,荷载侧压比为1/3.在模型内部相同位置依次施加10,15和20 g TNT动荷载,在最后一次爆炸荷载作用下,洞室出现抛掷型冲击地压破坏现象.试验结果表明:巷道冲击地压灾害是动、静荷载联合作用的结果;在冲击瞬间作用下,冲击荷载与已存在静荷载叠加,使得巷道围岩压力迅速增加,叠加后作用力大于围岩承载能力时,引发围岩冲击破坏;围岩产生的冲击变形与巷道开挖后产生的初始变形叠加,形变超出围岩的变形能力时,洞壁首先发生破坏.围岩变形和冲击破坏范围与冲击力的大小及地应力水平相关性显著.     

跨采巷道围岩应力集中系数解析

为了确定上覆工作面采动对底板巷道稳定性的影响程度,首先,以海孜煤矿7煤工作面开采为例,根据其工作面支承压力分布形态,基于弹性力学理论建立了底板应力分布的力学模型,分析了采动支承压力在底板中的传递规律,并将采动支承压力与巷道围岩应力有机结合在一起,得到了上覆工作面开采过程中,底板巷道围岩的最大、最小主应力集中系数的变化规律,开采过程中围岩最大主应力集中系数的极值为1.28;其次,应用数值模拟软件FLCA3D建立了跨采巷道计算模型进行了验证,得出巷道围岩最大主应力集中系数极值为1.22,结果证明理论模型是可靠的。此模型可为底板巷道围岩控制提供基础的理论和技术支持。     

双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩稳定性控制技术

为解决传统双巷掘进资源采出率低和沿空掘巷采掘接替紧张难题，以翟镇煤矿下组煤一采区11502工作面为工程试验对象，创新性提出留窄小煤柱双巷同时掘进巷道的布置方法，同时构建小煤柱高强复合加固支护技术。采用理论分析、试验测试结合数值模拟等综合研究方法，对留窄小煤柱双巷掘进布置原理及煤柱加固支护技术进行深入研究探索。结果表明，双巷掘进留窄小煤柱技术能够实现采区工作面顺序接替，有效提高采区采出率；提出的小煤柱综合加固支护技术以超前断顶卸压、对穿锚索提高煤柱自身承载力以及钢管混凝土墩柱高强辅助加强支护为主体，避免了小煤柱过早进入塑性状态而发生整体失稳破坏，能够有效保持长期稳定。基于覆岩组合结构理论建立煤柱–顶板结构力学模型，研究煤柱上方支承压力分布规律与大小，建立双巷掘进小煤柱加固支护设计方法。通过数值模拟验证，该技术与传统沿空掘巷相比，能够更好地控制巷道围岩变形，煤柱体的帮鼓变形量和巷道变形量均得到了有效降低。     

巨厚薄层状顶板回采巷道围岩裂隙演化规律的相似模拟试验研究

运用相似模拟试验和分形几何理论，研究了受采动影响的回采巷道围岩裂隙产生-扩展-贯通-破坏的演化规律。巷道两帮围岩裂隙呈弧形向巷帮深处扩展，并按幂函数规律衰减；两帮顶板裂隙呈二次曲线演化规律：巷道上方顶板裂隙主要集中在巷帮上方。用裂隙密度分形维数定量描述了巷道围岩裂隙的分布和演化。研究结果有利于了解巷道围岩内部破裂的发生与发展规律，为选择巷道锚固方案和优化锚固设计参数提供了依据。     

爆炸冲击载荷作用下吸能支护巷道变形规律研究

利用低能爆炸加载方式,采用相似材料模拟试验方法,借助数字散斑光测手段（ DSCM ）,研究高速冲击载荷作用下吸能支护巷道变形规律。试验结果表明,巷道顶板首先出现微裂缝,顶板向下位移约为 0.6 mm ,顶板岩层与煤层交界处无错动现象,冲击波重复作用使得模型顶面出现贯通裂缝,但巷道及周围岩体并无破坏,说明吸能支护可吸收大量冲击能,从而有效降低对巷道的冲击破坏。通过模拟试验结果可知,采用吸能支护可大大降低巷道的破坏程度,对于采矿工程安全生产具有实际意义,同时为巷道支护提供一种新方法。     

海下强膨胀软岩动压巷道恒阻让压耦合支护技术研究

为解决北皂煤矿强膨胀软岩回采巷道在超前动压力作用下引起的开挖初期变形量大、全断面持续大变形、U型钢支架破坏严重等问题,采用微观物化分析、地应力测试等手段,揭示围岩强度低、强膨胀性、强吸水软化、围岩应力四周来压、支护与围岩变形不耦合的失稳机制,提出恒阻锚杆支护方法,并揭示恒阻锚杆可通过高阻、高预紧力、可变形让压结构特征支护强膨胀软岩的支护机制,最终提出锚梁结构强化顶板+恒阻锚杆加固两帮+注浆锚固支护底角的恒阻让压耦合支护方案,并采用数值模拟进行支护效果对比分析。现场试验表明:恒阻让压耦合支护能够较大幅度减小巷道围岩变形量和超前动压影响范围,其中变形量最大282 mm,超前动压影响距离70 m,分别较普通螺纹钢锚杆+锚梁支护变形量减小64.8%、动压影响距离减小10 m,较U型钢架棚壁后浇筑混凝土支护变形量减小54.7%,动压影响范围减小20 m。在同类软岩巷道中具有良好的推广应用价值。     

刚柔耦合吸能支护煤岩巷道冲击破坏相似试验与数值计算对比分析

冲击地压巷道支护问题一直是研究的热点。采用相似模拟试验和数值模拟的研究方法,对裸巷和刚柔吸能支护巷道的冲击破坏过程进行研究。试验和数值计算结果均表明,无支护巷道冲击变形破坏较严重,在巷道顶板和两帮壁面均出现裂缝扩展和贯通,甚至出现抛出物冲入巷道和塌落现象;刚柔吸能支护具有缓冲和吸收冲击能作用,表现为巷道顶板和两帮壁面发生向巷道内部变形,同时有局部壁面出现裂缝,但巷道整体性完好;裸巷和吸能支护巷道冲击破坏规律基本一致,吸能支护巷道冲击破坏程度弱,整体性好,刚柔耦合支护更有利于冲击地压巷道支护。     

近距离跨采对巷道围岩稳定性影响分析

针对近距离跨采时，工作面与底板岩巷的不同空间位置关系，采用数值力学分析，详细地分析了工作面开采引起的围岩应力演化过程及特点、近距离跨采引起底板岩巷围岩位移的特点以及巷道位置对其围岩稳定性的影响。研究结果表明，煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反映。近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯决定于煤柱侧支承压力的作用。留设保护煤柱时，底板岩巷应位于集中应力区的外侧或跨采时工作面应推过足够距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下方。最后通过实例给予了分析。     

深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究

 煤柱合理宽度的确定是影响综放沿空掘巷围岩稳定性的重要因素。以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,首次提出一种新型侧向支承压力监测方法,通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定区段煤柱合理留设宽度。现场应力监测与数值模拟结果显示,采空区侧向支承压力影响范围为50～56 m,低应力区宽度为12～15 m,考虑沿空巷道应处于应力降低区内,煤柱留设宽度不应大于7～10 m;同时,从有利于锚杆锚固出发,煤柱宽度不应小于4 m。综合考虑煤柱稳定性、次生灾害控制及煤炭资源回收等因素,最终确定煤柱留设宽度为5 m。采用大型地质力学模型试验与现场试验对煤柱宽度合理性进行验证,结果表明,巷道表面位移均呈现沿空帮＞顶板＞实体帮＞底板的变化趋势,掘巷稳定后,现场实测顶底板移近量最大为271 mm,两帮移近量最大为359 mm,巷道围岩控制效果较好;同时,锚杆、锚索受力均在其屈服范围内,并为回采期间预留充足的余量。研究结果可为类似开采条件下的区段煤柱宽度确定提供参考依据。     

深部复合顶板煤巷变形破坏机制及耦合支护设计

煤矿开采进入深部以后，地质力学环境远比浅部复杂得多，由此引起的各种非线性力学现象越来越严重，给深部支护与开采带来很大的难度。夹河矿2442工作面上材料道复合项板松散、破碎，采用原支护形式很难有效控制，进而加剧两帮收缩和底板臌起，严重影响巷道的正常掘进和安全生产。通过对该巷道工程地质条件的综合分析和地质力学评估，采用数值模拟和理论分析方法研究该类巷道的变形破坏机制，有针对性地提出锚网索耦合支护设计方案，现场试验结果表明该支护设计方案可取得良好的支护效果。     

大厚度泥岩顶板煤巷破坏机制及控制对策研究

 针对煤巷上方大厚度泥岩顶板在开挖支护后所表现的破坏现象,通过现场观察、室内试验、数值试验、相似模拟试验及理论分析,对其变形破坏机制及控制对策进行系统研究,动态分析围岩的变形和破坏过程,研究不同支护情况下巷道变形规律、破坏机制、应力分布及不同支护手段的加固效果。得出如下结论：(1) 泥岩风化崩解、碎裂扩容与应力调整过程中的高应力拉伸与剪切共同促使泥岩顶板破裂、离层和破碎的发生;(2) 原支护缺乏对围岩性质的准确判断导致巷道破坏与支护失效;(3) 大厚度泥岩顶板煤巷支护的原则：及时封闭围岩、提高下位岩层刚度、布置斜向锚索;(4) 根据地质力学与环境条件,通过断面优化及支护参数优化能够有效避免大厚度泥岩顶板煤巷的多次翻修,实现一次支护的长期稳定。研究成果在棋盘井矿区获得全面应用,对类似条件工程的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

采动影响下大跨度煤巷耦合支护技术研究与应用

 为解决多次采动影响下大跨度煤巷支护难的问题,以高家梁矿20108工作面回风巷道为例,通过分析工程地质条件和工程岩体特性可知,20108回风巷道属于应力扩容膨胀型复合地质软岩,确定力学破坏机制为IABCIIBDIIIDA复合型变形力学机制,提出采用锚网索带注耦合支护方案。基于FLAC3D数值软件,对锚网索带注耦合支护方案进行数值计算,计算结果显示,与无耦合支护对比,屈服区域显著缩小,顶底板和两帮变形都得到有效控制。现场监测煤巷围岩变形表明,多次采动影响下煤巷两帮变形速率大于顶底板,表明两帮变形速率控制着20108回风巷道的使用功能。研究结果表明,锚网索带注耦合支护在采动影响下大跨度煤巷支护中取得良好的支护效果,数值计算表明,采动影响下大跨度煤巷采用耦合支护技术是可行的;现场监测结果也验证耦合支护技术的有效性和可靠性。     

济宁2#煤深部回采巷道变形破坏规律及对策研究

 随着深部地质环境的不断恶化,深部资源开采中重大灾害事故增多,巷道支护出现冒顶、底臌、顶板下沉等破坏现象。以济宁2#煤矿九采区93上06回采巷道为研究对象,通过数值模拟手段再现变形破坏过程,分别对顶板下沉、底臌变形、轴向楔体破坏和沿结构面冒顶4种变形破坏规律进行分析。针对破坏特征,提出巷道支护的优化方案。工程实践表明,通过改变巷道的断面形式、挖掉直接底泥岩和打底角锚杆可以有效地控制巷道的底臌,调整支护参数可以有效控制巷道的顶沉和冒顶。     

迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用

迎采动工作面留小煤柱沿空掘巷受邻近工作面侧向顶板破断、转动及稳定的全过程动压影响后，顶板煤体离层，小煤柱破裂，围岩稳定性急剧恶化。为了保持巷道形状，防止大变形状态下的支护结构失效成为支护的关键。常规锚杆支护、锚杆与锚索联合支护等不能维持其稳定；而预拉力钢绞线桁架系统是控制顶板离层的有效支护方式，结合高性能预拉力锚杆、M型钢带、小孔径预拉力短锚索等，形成预拉力组合支护技术，可以较好地解决该类问题。针对三河尖矿的典型试验对此作了详细说明。     

大断面强采动综放煤巷顶板非对称破坏机制与控制对策

 针对大断面强采动综放煤巷开掘过程中出现的顶板非对称变形破坏现象,以王家岭煤矿为工程背景,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟和井下试验等手段,对变形破坏机制与控制对策进行研究。得出如下结论：(1) 综放煤巷顶板呈现非对称变形破坏特征,表现为煤柱侧顶板严重下沉、剧烈水平滑移变形及肩角部位顶板错位、嵌入、台阶下沉等;(2) 侧向基本顶于煤柱上方距采空区边缘6～7 m处发生破断,基本顶的破断和回转下沉运动引起的不均衡支承压力q和回转变形压力?是沿空巷道不对称变形破坏的根本力源,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位;(3) 受采空区不稳定覆岩运动和巷道开挖影响,巷道围岩结构和应力分布以巷道中心线为轴呈非对称性分布,而原有支护未能对煤柱侧顶板及肩角等部位加强支护且无法适应顶板剧烈水平运动,巷道掘出后呈现出非对称矿压显现,后期受到本工作面回采影响,非对称变形破坏进一步加剧。(4) 分析该类巷道支护原理,提出集高强锚梁网、非对称锚梁桁架结构、预应力锚索桁架的非对称控制体系,阐述其控制机制,并进行方案设计和工程应用。数值模拟和工程实践表明,该技术可有效减弱顶板应力和位移分布的非对称性,控制围岩非对称变形破坏。     

综放面动压回采巷道帮部大变形控制机理及应用

基于综放面动压回采巷道的变形特征和两类滑移面的分布规律,研究了锚杆、锚索与第Ⅰ类及锚索与第Ⅱ类滑移面的微结构的力学模型,得到了一级和二级锚固体的重构机理,提出了"携顶底,控两帮"的支护思想,并推演了该思想的演化图解;运用FLAC3D数值模拟研究了综放面回采巷道在3种不同支护方案下的变形破坏规律,研究结果表明,与方案一相比,采用方案二和方案三支护的巷道破坏深度和塑性区发育单元体数量分别减小了44.4%,66.7%,巷道掘进与回采期间帮部变形分别减少了51.4%和68.6%、50%和68.9%;将新的支护思想在综放工作面回采巷道沿底和沿顶掘进两种情况下进行了工业性试验,结果表明,新思路下巷道围岩变形得到了有效控制;研究结果对类似工程地质条件下综放回采巷道的围岩控制具有重要的指导意义。