综放沿空留巷围岩变形特征的试验研究

掌握综放沿空留巷围岩变形规律是进行沿空留巷合理支护设计的关键之一。采用相似材料模拟试验方法，对沿空留巷才顶破断位置与形状、不同支护方式对顶板活动的影响以及相关的巷旁充填技术参数进行了初步研究。     

深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术

以淮南谢家集第一煤矿深部沿空留巷为工程背景,采用数值模拟分析巷道围岩变形与应力分布特征。详细介绍深部沿空留巷井下试验,包括巷内基本支护、加强支护与巷旁支护设计,从巷道掘进、留巷,一直到留巷复用各阶段的矿压监测数据。通过围岩、充填体位移与锚杆、锚索受力数据分析,评价支护效果。井下实践表明:采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护,单体支柱配铰接顶梁为加强支护,及膏体充填巷旁支护,能够有效控制深部沿空留巷围岩的强烈变形,保持留巷稳定。基于数值模拟与井下试验研究成果,分析巷内基本支护、加强支护与巷旁支护的相互关系,指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、基本顶回转及围岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别,并提出深部沿空留巷支护设计原则。针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

综放巷内充填原位沿空留巷技术

针对综放沿空留巷的技术难点,在分析综放沿空留巷围岩结构力学模型的基础上,提出了巷内充填原位沿空留巷的新技术。此项技术有两个关键方面:一是大断面全煤巷道顶煤完整性的维护;二是大体积长距离充填体的整体稳定性控制。对巷内基本支护为梯形金属支架的原有巷道,提出了实施此项新技术的具体方案。现场工业性试验表明,该项技术的应用是成功而有效的,可在类似条件的综放工作面推广应用。     

综放巷内充填原位沿空留巷充填体支护阻力研究

在综放巷内充填原位沿空留巷技术基础上,根据岩层控制的关键层理论,建立综放巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型,推导出不同地质条件下巷内充填体的支护阻力计算公式,并对围岩与巷内充填体之间的相互作用机制进行深入分析。研究结果表明,留巷围岩的稳定性与充填体的支护阻力和巷内支护方法密切相关。采用锚梁网索巷内支护技术结合及时巷内充填和加强临时支护等工艺措施,可形成良好的充填体-围岩共同承载体系,能充分发挥留巷围岩的自承能力,增强巷道整体性,有效减小需由充填体来平衡的围岩载荷。现场工业性试验表明,该项技术的应用是成功而有效的,综放巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型和支护阻力计算公式是合理的,可在类似条件的综放工作面中推广应用。     

沿空巷道围岩破坏规律研究

为研究回采条件下沿空留软岩巷围岩变形与破坏,采用理论分析方法总结了沿空留巷围岩应力场分布规律及围岩大变形的破坏机理,通过室内试验方法获得工作面不同围岩的物理力学性质,根据围岩的受力特征及岩性的力学特性,设计了矩形巷道断面的支护结构设计。采用有限差分方法建立回采条件下软岩巷道的数值模型,并数值模拟开采影响下不同支护条件的软岩巷道变形和破坏规律,通过建立锚杆和锚索的数值单元来模拟不同支护方案下围岩的变形和破坏规律,最终得出了一些有意义的结论。     

锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用

沿空留巷技术在薄、中厚煤层中应用较多,但在3m以上较大采高工作面中应用极少,究其主要原因是已往建立的沿空留巷力学模型欠妥、巷内与巷旁支护方式不合理。从如何提高岩层的自我承载能力入手,提出了一种主动的巷旁加强支护方式——巷旁采用锚索加强支护,巷内采用锚杆支护。建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型,并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理。利用理论分析所得结论,对淮北朱庄矿3625较大采高工作面风巷进行巷旁支护设计及工程实践。研究成果为较大采高工作面沿空留巷技术提供了理论依据和借鉴经验。     

沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究

通过数值计算分析，研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系，提出一个新观点，即高强度锚杆支护的窄煤柱是沿空掘巷围岩承载结构中的一个重要组成部分，并针对不同煤层条件确定了相应的窄煤柱合理宽度，并将研究结果成功地应用于工程实践。     

煤矿巷道锚杆支护应用实例分析

 在分析锚杆支护作用机制的基础上,提出高预应力、强力支护理论,强调锚杆预应力及其扩散的决定性作用;指出对于复杂困难巷道,应尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏;介绍煤矿开发出的锚杆支护成套技术,包括巷道围岩地质力学测试技术、动态信息锚杆支护设计方法、高强度锚杆与锚索支护材料、支护工程质量检测与矿压监测技术,以及锚固与注浆联合加固技术;在分析煤矿巷道类型与特点的基础上,介绍高预应力、强力锚杆支护理论与技术的典型应用实例,包括千米深井巷道、软岩巷道、强烈动压影响巷道、大断面开切眼、深部沿空掘巷与留巷、采空区内留巷及松软破碎硐室加固。基于这些复杂困难巷道的特点与地质力学测试结果,进行巷道支护设计,通过矿压监测数据分析与信息反馈,评价支护设计的合理性与围岩稳定性。实践表明,采用高预应力、强力锚杆支护系统,必要时配合注浆加固,能够有效控制巷道围岩的强烈变形,并取得良好的支护效果。     

沿空送巷煤柱在锚杆支护下的稳定性研究

为了在提高煤炭资源采出率的同时保证巷道的稳定性,提出在陈四楼煤矿2216工作面二2煤层采用留小煤柱沿空送巷技术。本文通过平面应变模型试验和FLAC^3D数值模拟计算,分析了在锚杆支护下不同宽度煤柱的破坏状态、应力分布及巷道围岩变形等因素,进而确定沿空送巷的合理煤柱宽度。研究表明,留设煤柱是沿空送巷围岩的一个重要承载结构,选择5 m煤柱作为窄煤柱护巷能够保证巷道的使用安全并具有相对较高的采出率,而帮锚采用全锚支护能够使锚杆的支护效应得到更为充分的发挥。     

沿空留巷底板变形机理及塑性区研究

根据上覆岩层"大-小"结构模型,分析了造成沿空留巷底板变形的应力环境,建立了底板力学模型。基于弹性理论,推导了沿空留巷底板塑性区最大破坏深度,运用于工程实践中,设计了防控底板变形的支护参数。结果表明:沿空留巷底板变形是由于底板承受来自塑性区煤体和巷旁支护体传递的不均衡高应力产生的整体剪切破坏,具有非对称性特征。     

深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用

 为防止深井坚硬顶板沿空留巷的充填墙体在顶板垮落时被压坏,特采取深孔爆破强制放顶来释放顶板压力以提高沿空留巷的护巷效果。通过数值模拟和理论分析的方法,阐述深孔爆破强制放顶的卸压机制。炸药在坚硬岩体中爆破,爆破孔周边的岩体受爆轰应力波作用产生大量裂隙并发生大幅度位移,使爆破孔周围的应力重新分布,厚层顶板垮落,降低了巷旁充填墙体的附加载荷,从而起到护巷作用。最后,在潘一矿东区1252(1)工作面进行超前深孔爆破强制放顶的现场应用,在经历工作面回采和充填留巷稳定阶段后,墙体整体维护效果良好,对类似条件下沿空留巷强制放顶具有很好的借鉴意义。     

大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律分析

为了研究云驾岭矿深部大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律,采用理论分析、现场实测和实验室测试综合研究手段和方法,确定了试验工作面巷旁充填体支护阻力和留巷参数,构建了能够反映沿空巷道受初次采动围岩形变规律的回归函数模型,对比分析了一次和二次开采扰动下围岩的应力应变状态,探究了充填体上方顶板岩层的应力传递规律。结果表明,采用弹塑性力学模型得出的巷旁充填体的临界支护阻力和充填体宽度分别为4.1MN/m和2.47 m,经实验室测试和工业性试验,能够保持高水材料充填体的稳定。受初次采动影响,沿空巷道围岩位移量与工作面至测站点距离之间符合Slogistic增长函数模型,求解了巷道顶板、底板和下帮的最大变形量、变形量最大时工作面的位置以及达到最大变形时工作面推过观测站的时间。对于沿空巷道,工作面超前支承压力波及范围至工作面煤壁前方约34 m,留巷顶板3.8 m以浅的采动裂隙可能会导致顶锚杆锚固失稳甚至失效,充填体切顶阻力的“波动性”能够反映顶板岩层的分层垮落特征。     

唐山沟矿厚层砂岩顶板切缝沿空成巷试验研究

 垮落带内含有厚层坚硬岩层时,难以冒落,易在沿空巷道采空区侧形成弧形三角悬板,对沿空巷道产生较大压力。以大同唐山沟8820厚层砂岩顶板首采面无煤柱开采为背景,分析普通充填留巷和切缝沿空成巷侧向顶板断裂结构特征及围岩稳定过程,认为对垮落带内直接顶坚硬层顶板进行合理参数下的切缝,可使得切缝高度范围内采空区边界直接顶和基本顶失去约束,并沿切缝结构面剪切破断充分冒落接顶,降低破断冲击动载;并通过UDEC数值模拟软件,分析出切缝有利于矸石冒落并支撑上覆岩层,可将上覆基本顶岩层的触矸点前移,限制基本顶回转和下沉作用引起的围岩压力,明显减小巷道围岩变形量。基于理论、数值分析研究结果,确定唐山沟矿8820回风巷巷内加强巷旁密集支柱+巷旁双向聚能爆破切缝的上压下支中间切缝的联合切顶方案。通过井下爆破参数试验、矿压监测分析,评价切顶成巷的效果。井下试验表明：顶板高恒阻大变形锚索、巷内加强巷旁密集支柱、巷旁密集档矸点柱、超前聚能切缝爆破的切顶成巷综合技术,能够有效切落沿空巷道侧向顶板并形成完整巷道,各项指标均满足下一工作面回采要求。     

深井沿空留巷扩刷修复技术及应用

 以朱集矿埋深900 m首采工作面沿空留巷扩刷修复工程为背景,采用现场实测和理论分析的方法分析深井留巷扩刷修复前围岩变形、应力、结构等状态,提出留巷扩刷修复结构临近失稳的概念,确定留巷扩刷修复的合理时机,组织留巷扩刷修复时的合理工序,制定留巷扩刷修复巷道的主被动协同支护方案。研究结果成功运用于朱集矿深部留巷扩刷修复工程,围岩监测结果表明,留巷扰动变形在修复后得到有效控制,各项指标满足下一工作面回采要求。     

沿空巷旁分层充填留巷试验研究

煤矿目前在高地应力或覆岩运动剧烈的条件下,采用巷旁充填留巷方式有2点不足：刚性材料充填易造成墙体应力集中,使充填体被压裂乃至失效,裂隙发育使采空区与巷道连通引起火灾或CH4,CO等有毒有害气体泄漏;柔性材料充填易造成巷内顶板下沉过大乃至发生冒顶。为此,在华恒煤矿11508运输巷留巷时进行改进。首先建立沿空留巷巷旁侧向覆岩结构模型,计算充填体可缩量,制定巷旁分层充填留巷方案：即巷旁支护体采用2种强度等级的材料充填,上分层材料起密封作用,适应覆岩运动产生的冲击载荷,下分层材料起支护作用。通过建立力学模型计算得出下分层材料必需的支承强度,通过结构模型确定各自充填厚度。现场试验达到了预期效果。     

沿空留巷顶板下沉变形的力学分析

基于支架—围岩整体力学模型,将直接顶的左边界可简化为固定边界,右边与采空区冒落矸石接触,简化为破碎矸石作用于直接顶的横向阻力,上边界为老顶施加给定变形的边界,给出的是位移边界条件,而下边界受支架支撑作用,给出的是应力边界条件。根据沿空留巷围岩的变形特点,可将直接顶视为可变形体,利用能量变分理论求解巷道顶板下沉变形问题,进而探讨了顶板下沉量与巷内支护阻力、巷道宽度、直接顶厚度及直接顶弹性模量之间的相互关系。     

Experimental investigation on behaviors of bolt-supported rock strata surrounding an entry in large dip coal seam

In order to investigate the behaviors and stability of rock strata surrounding an entry with bolt supporting in large dip coal seams (LDCSs) dipping from 25° to 45°, a self-developed rotatable experimental frame for similar material simulation test was used to build the model with the dip of 30°, based on analyses of geological and technological conditions in Huainan mine area, Anhui, China. The strata behaviors, such as extracting- and mining-induced stresses development, deformation and failure modes, were synthetically integrated during working face advancing. Results show that the development characteristics of mining-induced stress and deformation are asymmetrical in the roadway. The strata behaviors are totally different in different sections of the roadway. Because of asymmetrically geometrical structure influenced by increasing dip, strata dislocating, rock falling and breaking occur in roof. Then, squeezing, collapsing and caving of coal happen in upper- and lower-rib due to shearing action caused by asymmetrical roof bending and dislocating. Owing to the absence of supporting, floor heaving is very violent and usually the zone of floor heaving develops from the lower-rib to upper-rib. Engineering practices show that, due to the asymmetrical characteristics of rock pressure and roadway configuration, it is more difficult to implement bolt supporting system to control rock stability of roadways in LDCSs. The upper-rib and roof of entries are the key sections. Consequently, it is reliable to use asymmetrical bolt-mesh-cable supporting system to control rock stability of roadways based on the asymmetrical characteristics of roadway configuration and strata behaviors.