厚煤层条件下多级让压支护技术研究

针对厚煤层综放开采条件下煤层巷道围岩受应力冲击破坏严重的问题,基于板壳力学建立了巷道冲击破坏力学模型,分析了应力波传播过程中的巷道顶板冲击破坏主控因素。以夏店煤矿3118运输巷为例,采用FLAC^3D软件分析了应力波传递过程中的围岩动力响应特征,并提出了多级让压支护体系。结果表明：顶板梁结构冲击破坏时的应力值与围岩所受的应力与梁结构的长度呈正比关系,而与其强度、厚度、应力波传播距离呈反比关系。应力的“水波”传递特征会导致围岩的多级破裂,同时在顶板表现为拉伸破坏,在帮部产生剪切破坏。多级让压支护体系可以通过梯次让压增加锚索抵抗循环应力冲击的能力。经验证,优化支护后的围岩平均变形量降低了约40%.支护体系处于均匀受力状态,相比于原有支护体系具有更可靠的长期稳定性。     

特大断面冲击地压巷道破坏机理及控制技术研究

为解决马耿村矿特大断面冲击地压巷道支护难题,介绍了巷道地质条件及围岩地质力学参数特征,分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征,冲击地压巷道变形破坏的主要影响因素是高应力、强动载、卸压和支护体系。频繁冲击能量会产生冲击破坏效应;卸压措施会对冲击地压巷道围岩结构及支护体系产生巨大影响;主动支护体系失效导致冲击地压巷道变形严重破坏。提出特大断面冲击地压巷道矿压特征明显不同于非冲击地压巷道,不同区域及位置的巷道表面位移和顶板离层差异较大;受掘进影响巷道变形更快速更剧烈,稳定时间更长;冲击地压巷道锚杆锚索受力呈锯齿形或台阶形剧烈波动。在耿村矿进行试验,13230上平巷掘进断面超过30 m2,属特大断面冲击地压巷道。矿压监测数据显示,采用提出的支护方案后围岩变形得到有效控制,巷道支护状况得以明显改善。     

人工调控围岩防冲减振数值研究

煤矿冲击地压产生的冲击应力波由围岩介质向巷道表面传播,强烈应力波作用致使支护结构严重破坏甚至失效。采用水力割缝、爆破、锚固以及注浆等人工调控技术,改变巷道附近围岩体物理力学性质,形成不同强度的层状结构,使其成为优良耗能体,增强衰减和散射冲击应力波能力,进而减少对支护结构的破坏。利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,模拟5种不同人工调控结构类型对耗散冲击应力波的影响。研究结果表明:当巷道附近围岩结构整体强度均匀时,其耗能性能较弱,冲击应力波作用使得巷道剧烈振动,支护结构受到强烈冲击力作用容易发生破坏;采用人工调控技术手段,围岩体形成不同强度的层状结构,具有较强的耗散冲击能作用,大幅度降低冲击应力波振动频率和幅值,支护结构受到冲击作用力明显降低,整体稳定性得到提高。人工调控围岩技术可有效降低冲击地压的振动作用和冲击应力波的强度。     

煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术

建立了冲击地压巷道"应力-围岩-支护"力学模型,得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力,停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现,冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度,同时考虑"启动—破坏—停止"全过程。①在冲击启动前,依据冲击启动的应力条件降低煤体应力,减少弹性能积聚,提高支护阻力,增加启动难度;②依据冲击停止的能量条件,在冲击过程中,通过改变煤岩体结构与介质属性,吸收或消耗冲击能;③在冲击应力波传播的末端,通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能,减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性,防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备,利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系,三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性,实现了冲击地压巷道三维...     

强动压高水平应力巷道围岩控制技术

为了解决强动压高水平应力巷道支护难题,根据地应力测试、顶板取心探测、岩体原位强度测试并结合FLAC~(3D)数值模拟,研究了巷道在强动压高水平应力作用下的破坏机理,进而应用高预应力强力支护技术进行巷道支护,并进行现场试验和矿压监测。结果表明:强动压高水平应力导致巷道两帮由浅到深逐渐剪切破坏,其承载能力减弱导致顶板失稳;强动压高水平应力加剧顶板剪切错动,造成顶板锚固结构失稳,致使顶板松散破碎;提出"固帮控顶"的围岩控制思路,即采用高强度预应力"锚+梁+网"联合支护方案加固两帮和顶板,与原支护相比,表面位移明显减小,围岩控制取得良好效果。     

特厚倾斜复合顶板巷道破坏特征与稳定性控制

大倾角特厚复合顶板巷道因其围岩原位强度低、层间黏结力弱,在复杂应力作用下巷道围岩具有非对称破坏特征。结合具体工程实例,采用相似模拟试验、FLAC3D数值模拟和工程测试等方法,分析不规则梯形与拱形巷道在常规对称支护和非对称强力支护条件下围岩应力、位移等变化规律,揭示特厚倾斜复合顶板巷道的非对称破坏机理。研究表明:受岩层赋存特征影响,巷道围岩结构和应力分布的非对称性是造成巷道非对称性破坏的根本原因;复合层状岩层结构面法向约束力减小与钝角部位应力集中直接导致弱面剪切滑移失稳;采用拱形巷道与非对称强力支护能有效改善围岩应力状态、减小围岩变形,提高巷道支护体系的平衡承载能力。     

多类型复合顶板锚杆预应力场分布特征及支护优化

针对煤矿巷道顶板岩层结构的多样性与复杂性,通过大范围顶板原位强度测试和围岩结构窥视,对巷道顶板结构类型进行划分,对比分析了不同顶板类型和锚固参数下锚杆预应力场的分布特征,对复合顶板巷道锚固参数进行了优化,结果显示:晋能集团阳泉矿区主采煤层巷道顶板类型可分为软弱型、软硬相间型、下硬上软型和硬软相间型;无论是单一岩层还是复合岩层,锚杆预应力整体上呈“两拉一压”的分布特征;在复合岩层中,层理面是阻碍锚杆支护应力传递的主要因素,层理面越多,形成的有效压应力范围越小;通过施加高预紧力和使用大护表构件,可以有效扩大锚杆压应力区范围;通过调整锚固长度或锚杆长度,使层理面位于压应力较高的区域,可以有效避免巷道顶板垂向离层和水平错动。以软弱型顶板巷道为例,开展复合顶板巷道围岩锚固支护优化现场实践,验证了理论研究的可行性。     

高应力泥岩顶板巷道围岩失稳特征及控制分析

通过对高应力泥岩顶板回采巷道破坏特征、力学变形机制及失稳原因分析,建立了回采巷道锚杆-锚索支护区变形协调方程,提出了高应力泥岩顶板回采巷道围岩控制关键技术,确定了预留断面高强预应力锚杆-锚索协调变形支护方案,并对设计方案进行了数值计算与工业性试验。结果表明:高应力泥岩顶板巷道表现为顶板破碎严重及离层量大、两帮呈非对称收敛变形与底鼓量大的特征;高应力及泥岩顶板软弱围岩是巷道围岩产生破坏的内在原因,锚杆-锚索支护强度过低及锚杆-锚索支护区非协调变形则是巷道围岩破坏失稳的外在原因;古汉山矿13051回采巷道围岩为高应力-节理化-膨胀性复合型(HJS)软岩,为Ⅰ_(AB)Ⅱ_(AB)Ⅲ_(ABD)复合型力学变形机制,采用设计支护方案后,巷道围岩变形能利于释放,围岩压力减小,锚杆-锚索受力均匀,巷道围岩变形保持在可控范围内,预留断面高强预应力锚杆-锚索协调变形支护利于巷道围岩稳定。     

受上覆采空区影响的巷道群稳定性控制研究

近距煤层下行开采中,因受上层煤采空区及煤柱的影响,下层煤巷道的应力环境及围岩破坏机理均发生复杂变化。采用理论分析、数值模拟与工程应用的综合方法,研究下层煤应力分布规律、巷道群的变形破坏机制及稳定性控制对策。研究表明:受上覆采空区释压作用影响,其下方巷道围岩应力集中较小、巷道较为稳定;受煤柱压力传递影响,煤柱下巷道围岩垂直应力急剧升高,应力集中系数达3.84,巷道两帮及肩部大范围压剪破坏,最终导致巷道整体失稳;煤柱下高应力区巷道宜采用拱形断面,增加支护强度与锚固预应力,顶板锚索(杆)向巷道两肩角倾斜布置,使支护体系与围岩塑性破坏区相互耦合并得到共同强化。在支护优化后巷道顶板下沉量减小42.8%,锚杆、锚索实测工作载荷分布合理,实现了对煤柱下近距煤层巷道的安全有效控制。     

巷道防冲机理及支护控制研究

在分析冲击矿压巷道"强弱强"模型的基础上,基于巷道冲击矿压发生的层裂板模型,研究了巷道支护体"强结构"防冲机理、型式和要求.结果表明高强预应力锚杆作为主动支护技术,能够增加冲击矿压发生的难度,提高裂纹非稳定扩展的临界应力值,从而防止冲击矿压的发生.从能量守恒定律出发,研究了巷道围岩与锚固体受冲击载荷的动载与变形特征,指出冲击矿压巷道支护体"强结构"应该具备主动让压功能,通过引导控制能量的释放和转化,将高能量消耗在主动让压过程中,能有效抵御冲击矿压的影响,保证巷道围岩和支护体系的稳定.提出为有效防止冲击矿压发生与抵御冲击载荷,"强结构"应具备主动高强度支护与让压的双强功能,高强让压锚杆能够满足要求,是冲击矿压巷道的有效支护形式.通过现场应用,证明了让压锚杆效果显著.     

特厚煤层巷道顶板破坏特征的数值模拟研究

为研究采空区遗留煤柱下特厚煤层软弱顶板回采巷道围岩变形特征,采用FLAC^(3D)有限差分程序系统分析了无支护条件下巷道围岩的变形破坏特征。研究结果表明:特厚煤层回采巷道首先在拱肩及两侧顶角产生剪切破坏,且随时间变化顶板岩层发生明显离层,塑性破坏区范围逐渐向深部扩展,巷道顶板整体变形严重。现场生产时,应加强回采巷道支护系统应力位移的监测监控,避免围岩的过度变形破坏,且巷道支护时应坚持高强恒阻让压互补的支护原则。     

回坡底煤矿K2灰岩地质力学分析及巷道支护研究

以回坡底煤矿回风大巷K2灰岩直接顶板为研究对象,在巷道地质力学测试基础上,分析巷道围岩结构、强度和地应力特征,采用数值模拟研究不同支护强度下K2灰岩顶板巷道围岩破坏特征及应力状态,提出了不同的支护方案,通过工程实验,现场监测,达到了较好的支护效果。     

极近距煤层下位煤层巷道围岩控制原理及应用

为了解决极近距煤层巷道支护技术难题,分析巷道围岩特征及变形规律,总结已有支护形式,提出围岩控制原理。概括为:①利用高强度锚杆施加的高预应力,把巷道开挖初期形成的叠合梁顶板转变成组合梁顶板,显著降低煤岩层顶板的挠度和应力,提高顶板浅部煤岩层的强度,增强其承载能力;②采用短锚索提供高预紧力,串联顶板深浅部煤岩层,增大组合梁的厚度和强度,再降低煤岩层顶板的挠度和应力,提高顶板整体结构的稳定性;③选用高强度锚杆加强两帮支护,控制煤帮变形和破坏,确保巷道整体稳定。据此提出水峪矿5116面运输巷支护设计,巷道围岩变形得到显著控制。     

冲击地压矿井厚煤层沿空掘巷支护关键技术研究

针对冲击地压矿井回采巷道普遍采用多级支护体系,支护效果差的现状,分析了围岩变形破坏机理,指出高应力、强动载荷和卸压、锚杆支护体系失效分别是冲击地压巷道围岩强烈变形的基础、特征和关键因素。结合试验巷道破坏特征及锚杆支护系统失效分析结果,认为巷道维护的关键是减弱围岩性质劣化对锚杆支护体系的影响,并提出了具有针对性的控制对策。依据研究结果,确定了新控制方案和参数,进行了井下工业试验,取得了良好应用效果。     

深部巷道让压槽钢梁技术及模拟研究

针对赵庄矿3308煤巷在回采过程中局部顶板中部下沉、顶板与巷帮角部突出严重,致使槽钢梁弯曲严重、锚索破断率高等问题,采用现场调研、力学分析、数值模拟等手段,提出让压槽钢梁配合锚索进行支护的方法,给予了巷道围岩适度的变形区间,解决了煤矿巷道槽钢梁剧烈弯曲的问题。初步建立高强度槽钢梁配合锚索施工技术工艺。使用有限元差分软件FLAC3D模拟获得了在让压槽钢梁的支护下顶板的应力及位移分布规律,有效控制了围岩变形,并且验证了高强度让压槽钢梁的可行性。     

置孔释压材料在主应力巷道中的适应性研究

通过对高应力软岩巷道破坏特征及原因的分析,建立了置孔释压支护模型,并对置孔释压的支护原理进行了力学和能量学的分析,提出了2种不同的置孔释压支护方式,同时利用FLAC~(3D)软件分析其支护效果。结果表明:当只有金属支架时,巷道底角的应力集中诱发底板及巷道两帮大面积的破坏,导致顶板垮落;当置孔释压材料置于金属支架底角时,一部分围岩应力通过金属支架的传递由释压材料释放,一定程度上缓解了巷道底板及两帮的破坏,但是支护效果有限;当置孔释压材料置于金属支架周围时,大部分围岩应力由材料的压缩变形所释放,围岩没有出现明显的破坏,底鼓程度也较轻,支护效果良好。最后,通过工业性实验,验证了置孔释压材料置于金属支架与围岩之间时,能有效维护巷道围岩的稳定性。     

采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究

以西北地区典型冲击地压矿井为工程背景,研究采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,通过对典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析,采用"点-面-区"相结合的方式对深部厚硬顶板采动巷道应力分布进行了探测,确定了回风巷冲击地压严重的主要原因为区段煤柱侧向覆岩结构破断和采动应力的叠加作用。提出冲击地压防治要从采动巷道围岩结构和应力环境双方面入手,通过调整采动巷道围岩应力环境,人为干预高低位岩层破断位态,增加高低位厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗,优化巷道围岩支护参数,提高工作面超前应力峰值附近巷道刚性支护系统瞬时吸能让压能力,并根据采场煤层赋存条件、围岩结构特征和应力环境不断改变的特点,动态调整各种措施的时空组合方式进而实现采动巷道的围岩稳定性控制。通过典型冲击地压工作面现场防冲实际,验证了采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,为西北地区深部厚硬顶板条件下采动巷道冲击地压防治提供理论指导。     

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。     

深井巷道防治冲击地压支护的探索与研究

深井地质条件复杂的地层,如褶曲、断层、裂隙、陷落柱等区域,以及塑性流变岩体、膨胀性岩体、碎胀性岩体等具有明显偏压的岩层,也是冲击地压易发带。应根据围岩变形特征,采用"刚柔相济、及时封闭、缓冲让压、强化围岩"的基本原则。通过采用"锚、网、梁、索"综合支护新工艺,采用"让力、卸压、转移"的方案,提高对矿井深部巷道高应力下复合顶板的支护强度,防治深部矿井冲击地压。     

基于地应力的巷道支护参数设计研究

围岩强度与地应力的关系是导致巷道破坏的重要影响因素。分析了锚杆支护与围岩应力的关系、预应力锚杆与围岩变形的关系,然后数值模拟分析了不同支护条件下围岩破坏情况和应力分布情况。数值模拟得出,构造应力场下,顶板在锚杆锚索联合支护下,巷道变形量很小,巷道支护效果良好,顶板离层现象基本消失。以某矿为例,对巷道进行地应力测试以及巷道支护设计,通过锚网喷联合支护,特别是对顶板进行加固,支护取到了良好的效果。