高应力破碎岩石条件下钢管混凝土支护方案研究与应用

结合14行回风道返修断面，建立850 m平面巷道钢管梁支护的数值模型，研究采动影响引发的岩体移动导致支护体发生破坏的演化过程，同时配合现场数据监测对“钢管混凝土支架+围岩注浆”返修支护技术进行综合评价，提出钢管混凝土支架可控制二矿区深部工程巷道围岩变形，能够为保证巷道支护安全，可推广应用于各岩石破碎巷道压力较大区域的支护。     

大断面软岩斜井高强度钢管混凝土支架支护技术

查干淖尔矿主斜井泥岩段围岩变形量大,速度快,巷道支护困难,结合主斜井泥岩段膨胀性软岩的工程地质条件和围岩变形特征,并结合主斜井泥岩段的巷道围岩变形特点,设计了高强度钢管混凝土支架支护方案,其中,巷道断面采用马蹄形,钢管混凝土支架主体钢管选用194 mm×10 mm无缝钢管,充填C40钢纤维混凝土,辅助金属网支护和混凝土喷层支护。通过数值分析可知,主斜井泥岩段开挖后及时施加钢管混凝土支架支护方案,钢管混凝土支架承载能力大,能够提供强大的支护反力,限制巷道围岩向巷道空间的移动,保证巷道围岩稳定和支护结构可靠。通过巷道施工和现场监测分析可知,大断面软岩巷道高强度快速支护方案易于施工,能够维持主斜井泥岩段软岩巷道围岩的稳定。     

钢管混凝土支架在千米深井中央泵房中的应用

为解决华丰矿-1 100 m水平中央泵房巷道变形量大、变形持续时间长的支护难题,通过现场考察对巷道变形破坏原因进行深入分析,设计了高强度钢管混凝土支架复合支护方案:支架断面采用斜墙半圆拱形,支架主体钢管选用219 mm×8 mm无缝钢管,充填C40钢纤维混凝土,辅助锚网喷支护和围岩加固注浆。现场应用表明:基于钢管混凝土支架的复合支护技术,能够有效抑制围岩向巷道空间内移动,维护巷道的长期稳定和支护结构的安全可靠。     

杨庄矿软岩巷道锚杆与钢管混凝土支架联合支护技术研究

杨庄矿Ⅲ水平南大巷软岩巷道围岩强度低,黏土矿物含量高,吸水泥化现象严重,巷道围岩变形量大,锚杆失效较为普遍。结合南大巷软岩巷道围岩变形特点,设计了锚杆与钢管混凝土支架联合支护方案。巷道断面采用马蹄形,锚杆为Φ20 mm×L1800 mm的左旋螺纹钢锚杆,钢管混凝土支架主体钢管选用Φ194 mm×L8 mm无缝钢管,灌注C40核心混凝土。结合理论计算可知,设计支护方案的极限承载能力大于南大巷围岩荷载,能够维持巷道围岩的稳定。通过数值分析和现场监测分析可知,巷道围岩变形较小,锚杆和钢管混凝土支架支护作用力均小于其极限荷载,支护结构稳定,所以锚杆与钢管混凝土支架联合支护方案满足了Ⅲ水平南大巷软岩巷道支护的要求。     

钢管混凝土支架在深井巷道中的支护实验研究

为解决华丰煤矿-1100m水平风井联络巷变形持续时间长、变形量大、难支护的问题,结合巷道围岩地质条件和巷道变形破坏特征,设计了以钢管混凝土支架为主的复合支护方案:支架断面为圆形,支架主体钢管采用219mm×8mm无缝钢管,充填C40混凝土,辅助锚网喷和围岩注浆加固。而后,利用FLAC3D对支护效果进行模拟分析,结果表明:巷道支护稳定后顶底板最大移近量为90mm,两帮移近量为80mm,围岩变形得到有效控制。最后,将复合支护技术成功应用于工程现场,充分证明基于钢管混凝土支架的复合支护能够有效控制巷道围岩变形,保证巷道的长期稳定。     

深井软岩巷道塑性区承压环的理论分析

高强度钢管混凝土支架支护逐步应用深井软岩巷道支护中,在巷道围岩塑性区内形成具有较高承载能力的承压环,有利于维持巷道围岩稳定。结合弹塑性理论和Mohr-Coulomb屈服准则,建立锚网喷支护和高强度钢管混凝土支架支护下深井软岩巷道塑性区承压环的力学模型,推导塑性区承压环的几何厚度、内外边界力学关系及其极限承载能力,并结合华丰煤矿-1100m变电所巷道的地质条件和支护参数,计算得出锚网喷架支护下巷道承压环的极限承载能力为18.34MPa,并通过现场验证,能够维持巷道围岩的稳定。     

新安煤矿深井软岩硐室钢管混凝土支架支护设计与应用

新安矿变电所巷道埋深约750m,属于极软岩难支护巷道。文章结合工程地质条件,采用钢管混凝土支架的复合支护技术解决变电所软岩巷道难支护问题,通过3个月的支架荷载监测和巷道变形测量表明,"Φ194mm×10mm的钢管混凝土支架+支架壁后250mm厚矸石袋"的复合支护稳定可靠,支架结构提供的支护反力大于围岩荷载,可满足巷道围岩稳定要求。     

钢管混凝土组合支架在深井巷道交岔点支护中的应用研究

为解决深部高应力大断面巷道交岔点难支护问题,以华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点为研究对象,分析了交岔点原有支护破坏机理,提出了基于钢管混凝土组合支架的复合支护技术。在组合支架结构特征分析的基础上,采用套管插接型组合支架,结果显示组合支架承载力满足支护稳定要求。华丰矿-1100 m中央泵房与泵房通道交岔点采用基于钢管混凝土组合支架支护技术后,围岩稳定性良好,支护第3年承受一次剧烈动压扰动影响,在破壁卸压辅助支护措施下,中央泵房支架累计变形未超过300 mm,支护6年来交岔点安全稳定运行良好。     

赤峪矿深部底抽巷钢管混凝土柱底鼓治理研究北大核心

针对深部高应力巷道底鼓严重的问题,以赤峪煤矿北一采区北翼4#底抽巷为例,研究底抽巷在高应力作用下底板发生非线性大变形的规律,分析巷道底板围岩挤压破坏机理,提出了巷道底板钢管混凝土柱治理底鼓技术;通过数值模拟的方法,分析了底板钢管混凝土柱不同支护长度、角度、排距对巷道底鼓治理的影响。试验结果表明:高应力场、岩体强度低、底板围岩浸水软化以及原支护结构存在缺陷等是导致巷道产生强烈底鼓的主要原因;增强底板围岩支护强度、防治地下水对围岩的渗透以及抑制主动滑移区的滑移变形是治理挤压流动性底鼓的关键;钢管混凝土柱具有强度高、刚度大、抗剪性能好的特点,能有效增强底板围岩支护强度、抑制围岩的挤压变形;底板每排布置2个钢管混凝土柱,长度为6 m、倾角为30°、排距为1.2 m时,对底鼓的控制效果最优。经现场试验验证,钢管混凝土柱治理底鼓技术能有效控制该类巷道底鼓。     

特厚富水软岩巷道钢管混凝土支架支护技术研究

为解决查干淖尔一号井井底车场极软岩巷道支护问题,结合井底车场巷道围岩物理力学性质和原有支护条件下巷道破坏情况,运用修正的芬纳公式估算出围岩压力为0.9 MPa,计算理想状态下原有支护体可提供的支护反力为0.718 MPa,以支护体可提供的支护反力大于巷道稳定所需支护反力作为巷道稳定的必要条件,认为原有巷道发生变形破坏的主要原因是支护体支护反力不足,提出了钢管混凝土支架+厚混凝土喷层复合支护方案进行巷道返修,该方案理论上可提供1.48 MPa支护反力。结果表明:巷道返修完成2年后,两帮最大移近量为89 mm,顶底板最大移近量为142 mm。混凝土喷层没有开裂现象,巷道未发生明显变形,基于钢管混凝土支架支护技术的复合支护能有效控制巷道围岩变形。     

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。     

深部岩体大变形规律:金川二矿巷道变形与破坏现场综合观测研究

针对深部高应力下硐室和巷道时效大变形问题,重点开展了金川二矿深部巷道大变形破坏调查、多手段原位综合观察、大变形灾害安全管理标准等方面研究工作。首先针对不同围岩支护类型下大变形巷道破坏问题,从破坏表现形式的角度总结提炼了金川二矿巷道10种典型变形破坏模式并阐明其形成机制;进而依托1 150 m水平大巷的大变形试验研究段,采用巷道表面的三维激光扫描测量、岩体内部开裂的钻孔摄像观测、围岩不同深度变形的位移计自动量测相结合的方式,揭示了深部巷道表面变形的空间非对称性、围岩内部浅层与深层变形的非均匀性、时效变形增长的跳跃递进性等不同于浅部岩体变形特点和破坏方式的新特征,表明了金川二矿碎裂围岩时效大变形本质是高应力下巷道开挖诱发表层围岩开裂,并在重分布应力驱动下围岩开裂深度逐步向深部转移进而导致巷道围岩自身承载性能逐步劣化的机制,从而表现出持续的时效大变形;最后提出基于功能失效和结构失稳原则的深部巷道大变形安全管理标准,并在现场反馈分析与应用实践基础上总结出了控制二矿深部巷道变形灾害的"双层喷锚网+锚注"和"喷锚网注+单筋砼"复合支护技术,充分利用喷网混凝土的表面柔性支撑与围压效应、锚杆对围岩内部的抑制开裂效应、水泥浆的充填并粘合开裂缝效应、钢筋混凝土的强刚性抗压和恢复围压效应等组合功能,从而形成一种"由表及里、表里结合"改善围岩受力状态、重构围岩承载圈的支护理念。     

大松动圈下锚固承载层支护效应的弹塑性解

对于大松动圈围岩巷道,锚杆和围岩共同作用在松动圈内部形成了“锚固承载层”。为研究大松动圈下“锚固承载层”对巷道围岩应力分布的影响,通过理论推导和实例分析,认为“锚固承载层”在极限平衡状态下对塑性区提供的支护强度[pid]由锚杆支护强度[pi]和锚固承载结构强度两部分组成,根据支护强度[pi]和锚固层厚度b的关系提出了“锚固界限厚度”概念。对于松动圈外的围岩,将巷道周边的应力分布进行了重新计算并与传统的Finner-Kastner解进行了比较。研究表明：承载结构在巷道稳定性控制中占据主导作用,支护强度和承载结构协调作用更有利于巷道维护,修正Finner-Kastner解可为深部巷道围岩支护机理研究以及巷道支护参数设计提供理论依据。     

深部巷道等强支护控制理论

本文调查了大量的煤矿巷道现场破坏案例,提炼了6类15种典型破坏模式,分析了圆形与矩形巷道的围岩受力特征及应力分布规律。基于巷道围岩梯度破坏机理及矩形巷道等强梁支护模型,提出了深部巷道等强支护控制理论力学概念模型,即根据巷道围岩受力特征,采用开槽卸压、注浆加固、锚杆(索)主动支护、钢管混凝土被动支护等综合手段,有效调整巷道围岩的应力状态,以期实现不同位置围岩能够达到安全且与地应力比相匹配的等效应力状态,获得应力分布趋于均匀、塑性区范围相似的理想状态。给出了不同埋深、不同断面形状巷道所需的等强支护强度计算公式,数值模拟了圆形与矩形巷道在等强支护前、后围岩应力变化,验证了等强支护后围岩应力场能明显改善。等强支护控制模型一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导。     

深部高应力巷道围岩控制技术研究

深部巷道具有变形量大且持续时间长,四周来压,易受扰动和整体收敛的特点。该文分析了千米深唐口煤矿高应力南部轨道大巷的变形破坏特点及规律,提出了千米深井高应力巷道围岩控制技术。现场应用结果表明,采用左旋高强螺纹钢锚杆全长锚固配合锚网索喷永久支护的支护方式可有效控制围岩变形,实现巷道稳定。     

深部采场开采扰动下巷道围岩松动圈演化规律研究

深部开采过程中，经常会遇到采场周边巷道围岩支护失效、巷道破坏等问题。为改善支护效果，采用声波测试技术研究阿舍勒铜矿深部采场开采过程中的巷道围岩损伤规律，着重分析与采场不同距离处巷道围岩损伤程度的差异。结果表明：深部采场开采扰动对周边巷道围岩松动圈厚度有明显影响，随着开采扰动次数增加，各测孔处的巷道围岩损伤均出现了不同程度增长；采场开采过程中，随着与采场距离的增大，开采扰动对岩体的损伤逐渐减小。阿舍勒铜矿深部采场开采下盘应力集中区距下盘采场边界距离为20~25 m；距离采场下盘最终边界25 m处的测孔开采扰动累积损伤增量小于开采前损伤量的20%。采场开采扰动前，巷道围岩松动圈与巷道位置无关，阿舍勒铜矿50 m中段巷道围岩松动圈厚度为1.4~1.7 m；开采扰动后，采场附近巷道围岩松动圈厚度为1.6~2.0 m。研究成果对于改善矿井支护效果、降低支护成本有一定的参考价值。     

深部采场开采扰动下巷道围岩松动圈演化规律研究

深部开采过程中,经常会遇到采场周边巷道围岩支护失效、巷道破坏等问题。为改善支护效果,采用声波测试技术研究阿舍勒铜矿深部采场开采过程中的巷道围岩损伤规律,着重分析与采场不同距离处巷道围岩损伤程度的差异。结果表明：深部采场开采扰动对周边巷道围岩松动圈厚度有明显影响,随着开采扰动次数增加,各测孔处的巷道围岩损伤均出现了不同程度增长;采场开采过程中,随着与采场距离的增大,开采扰动对岩体的损伤逐渐减小。阿舍勒铜矿深部采场开采下盘应力集中区距下盘采场边界距离为20~25 m;距离采场下盘最终边界25 m处的测孔开采扰动累积损伤增量小于开采前损伤量的20%。采场开采扰动前,巷道围岩松动圈与巷道位置无关,阿舍勒铜矿50 m中段巷道围岩松动圈厚度为1.4~1.7 m;开采扰动后,采场附近巷道围岩松动圈厚度为1.6~2.0 m。研究成果对于改善矿井支护效果、降低支护成本有一定的参考价值。     

深井冲击地压回采巷道围岩变形破坏规律研究

为了掌握深埋坚硬特厚煤层冲击地压作用下的巷道围岩变形规律,为深部矿井深化冲击地压防治提供依据,采用理论分析、FLAC3D数值模拟及现场试验等综合手段,研究了胡家河煤矿回采期间受冲击地压影响的402102工作面回风巷围岩冲击变形破坏机制及破坏规律。研究结果表明：深部条件下回采扰动达到一定程度后,巷道围岩变形会急剧增长,距离工作面越近,变形变化趋势越大,顶板围岩受超前支护影响变形趋于平缓,最大围岩位移量达180mm|在距离工作面前方45～55m范围内,巷道围岩受采动影响剧烈,围岩变形明显,主要表现为顶板及煤柱侧围岩变形,且顶板围岩塑性区破坏深度达3m以上。