深部沿空巷道恒阻大变形耦合控制技术研究

以南屯煤矿深部采空区下沿空巷道为工程背景,采用现场调研、室内试验及数值模拟等研究方法,深入分析围岩变形破坏产生的原因、变形特征及力学机理,结合NPR锚杆/索的力学特性,提出了以NPR锚杆索为核心的恒阻大变形耦合控制对策,现场应用效果良好,具有重要的借鉴意义。     

深部软岩巷道耦合支护关键技术研究

深部“三高一扰动”（即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动）的复杂地质力学环境,使得深部岩体表现出明显的软岩非线性大变形力学特性,从而导致单纯的主动支护已无法保证巷道围岩的稳定性,严重影响了深部煤炭资源的安全开采。“耦合支护”作为一种全新的支护理念,已成功解决了大量的软岩巷道支护问题。研究表明,在深部开采条件下,软岩巷道锚、网、索耦合支护成功的关键在于：在锚杆支护提高围岩强度的基础上,通过锚网-围岩耦合效应、锚杆-网-托盘耦合效应、锚索预应力耦合效应,实现耦合支护下的高应力转化效应,从而达到对深部巷道围岩的稳定性控制目标。     

恒阻大变形锚杆/索力学特性数值模拟研究

具有大变形特性的材料在抵抗岩体冲击、剪切和能量吸收等方面比传统意义下的小变形材料表现出更为优异的性能。针对普通锚杆/索无法抵抗软岩大变形而被拉断破坏等问题,何满潮研发了新型恒阻大变形锚杆/索,并成功应用于矿山灾害控制领域,然而针对恒阻大变形锚索吸能特性及其大变形数值模型构建尚属研究空白。本文首先通过室内实验揭示恒阻大变形锚杆/索(NPR)在静力拉伸和动力冲击条件下的吸能特性;然后利用Fish语言首次构建NPR锚杆/索数值分析模型,针对动/静条件下的NPR锚杆/索能量吸收规律进行数值模拟计算,并将试验结果与模拟结果进行对比分析,发现二者具有显著一致性;最后根据计算结果建立NPR锚杆/索与围岩体的相互耦合作用能量方程,揭示NPR锚杆/索在围岩控制全过程中的力学变化规律和能量吸收特征。     

夹河矿深部煤巷围岩稳定性控制技术研究

为解决夹河矿深部开采时煤巷出现的围岩变形量大、支护体破坏严重等非线性大变形问题,采用现场工程调查、微观组构实验等手段,分析了巷道围岩破坏失稳主要是由于支护体与围岩在力学特性上的不耦合造成的。研究采用耦合支护非线性设计方法,得到锚网索耦合支护参数。现场试验表明,采用该设计方法进行锚网索耦合支护既能充分发挥锚网主动支护浅部围岩的能力,又能通过锚索调动深部围岩强度的支护能力,从而实现软岩巷道支护体与围岩在强度、刚度和结构上的耦合,发挥支护体与围岩共同承担荷载的作用,实现深部煤巷的稳定性．     

深部岩巷变形破坏特征及稳定性控制

针对深部巷道大变形、分区破裂化破坏变形特征,提出了协调让压支护稳定性控制思路.确保支护体系、支护结构和支护参数与巷道围岩变形的力学特性相协调,以期达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支护阻力,从而有效地控制围岩变形;加强对巷道顶、帮、底等应力集中的关键部位实行全断面加固支护,不留空余、死角和自由面,以确保全断面变形协调,避免支护体系因局部关键部位的大变形而遭到破坏;同时针对分区破裂现象,利用长短结合的锚杆、索,充分发挥锚杆、索的悬吊及改善围岩力学状态的作用,通过以上控制思路对深部巷道进行全断面协调支护和锚杆、索的长短组合支护技术,实现对深部巷道的稳定性控制.工程实践表明,采用协调支护的控制技术取得了良好的支护效果,对深部巷道围岩稳定性控制有一定的参考意义.     

深部岩巷变形破坏特征及稳定性控制

针对深部巷道大变形、分区破裂化破坏变形特征,提出了协调让压支护稳定性控制思路.确保支护体系、支护结构和支护参数与巷道围岩变形的力学特性相协调,以期达到最大限度地发挥围岩自承能力和支护体系支护阻力,从而有效地控制围岩变形;加强对巷道顶、帮、底等应力集中的关键部位实行全断面加固支护,不留空余不留死角不留自由面,以确保全断面变形协调,避免支护体系因局部关键部位的大变形而遭到破坏;同时针对分区破裂现象,利用长短结合的锚杆、索,充分发挥锚杆、索的悬吊及改善围岩力学状态的作用,通过以上控制思路,对深部巷道进行全断面协调支护、锚杆、索的长短组合支护技术,实现对深部巷道的稳定性控制.     

巷道补强加固协同控制技术及应用研究

深部软岩巷道围岩稳定控制技术是保障深部安全高效开采的关键技术。根据巷道开挖应力-应变本构关系及应力应变法则,提出了深部软岩巷道补强加固协同控制关键阶段为DE阶段前半段,数值模拟结果显示锚杆(索)主动支护与U型钢、锚喷被动支护协同补强,能够有效控制围岩变形。提出了8105运输巷围岩控制“高预应力强力一次支护补强协同支护”方案并开展了工程应用。巷道维护效果较好,满足了安全生产需要。     

回采煤巷大厚度泥质层状顶板失稳机理及控制对策

针对具有强度低、层间作用弱、分层厚度小而累计厚度大等属性特征的大厚度泥质层状顶板易变形、难支护特点，以赵庄矿33053回采煤巷为工程背景，根据煤巷工程地质环境、支护方式及顶板失稳特征，构建煤巷顶板岩梁文克尔地基模型并求解出挠度表达式，分析了煤巷顶板岩梁挠曲下沉特征及其关键影响因素，揭示了煤巷大厚度泥质层状顶板的失稳机理。基于锚杆(索)的组合和压缩效应提出了结构与预应力均连续的顶板梁-拱耦合承载结构，阐明了浅部岩层组合压缩承载梁结构与深部岩层压缩承载拱结构的形成机制及二者间的耦合作用机理。现场工程应用结果表明：大厚度泥质层状顶板煤巷采用不同长度预应力锚索配合锚杆支护，在整个使用周期内围岩变形量明显减小、锚杆(索)破断率显著降低，有效确保了煤巷围岩的稳定性。     

深部建井力学研究进展

随着浅部煤炭资源的日益枯竭,我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展,新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1 000万t,开采最大深度已达1 500 m。千米深井在建井时所处的高应力、"各向异性"(包括岩体、结构、应力等)复杂地质力学环境,造成井筒以及井底车场大巷围岩出现塌方、岩爆以及冲击地压等大变形灾害,严重影响深部矿井安全高效建设。在国家重点研发计划"深地资源勘查开采"重点专项"煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术"支持下,提出了深部非均压建井模式,以非均匀支护应对非均匀围岩压力;对煤系地层深部建井中典型的地层结构进行分类,并建立了深部不同应力条件下立井井筒力学模型;开展了一系列模拟深部环境下的多场、多尺度岩石力学实验,探明了深部建井岩体的各向异性与深部环境相互作用过程中的大变形力学特性,揭示了深部复杂地质环境下岩体大变形力学机理;研发了适用于深部建井岩体大变形控制NPR锚杆锚索新材料,进行了一系列拉拔力学实验对其优越性进行科学论证,并最终形成了一整套基于NPR锚杆锚索的支护技术;开展了无煤柱自成巷N00矿井建设研究,基于"切顶短臂梁"理论,建立了采矿损伤不变量的采矿工程模型。     

深部硐室围岩破坏原因与稳定性控制技术

煤矿开采逐渐转向深部,深部硐室围岩大变形特征给硐室群稳定性控制带来很大难度。根据深部大断面硐室围岩力学特征及变形特性,通过地质条件分析、原岩应力测试、岩石微观组分分析,对深部硐室围岩破坏的影响因素进行了总结,以抗让结合的原则,提出深部构造复杂区域大断面硐室围岩稳定性控制对策。采用关键部位耦合支护控制技术+底脚锚杆+全断面锚索加强支护对深部大断面硐室进行强抗微让的强力支护方式,在葛亭煤矿230扩容泵房硐室成功应用,并对泵房硐室围岩收敛变形、锚杆索工况、离层进行了长期监测,围岩顶底板移近量仅12.5 mm,两帮内移量7.5 mm,锚杆索受力均匀,内外离层较小,完全满足矿井安全生产需要。     

巷道稳定的协同学原理及应用技术

基于现有支护理论和现场支护的实际条件,将协同学原理引入巷道支护设计,提出协同支护的思想。协同支护是以支护的共性--系统的协同作用作为研究对象,研究支护系统、围岩系统和环境系统等子系统及其内部的协同作用,最终使巷道从开挖后的非平衡状态快速达到稳定的平衡状态,其目的是最大发挥支护构件的物理力学性能,有效控制围岩变形,以期达到1+1>2的协同支护作用。锚杆锚索协同支护研究以预应力为基础,其他支护参数、结构与锚杆和锚索预应力的协同性以及锚杆预应力与锚索预应力的协同作用。高强锚杆必须与高预应力相结合,锚杆预应力必须与锚索预应力相匹配,只有它们之间相互合理匹配,才能使锚杆、锚索的个体作用达到最大,并产生协同支护的效果。对锚杆施加40 kN以上预紧力时,与锚索140~160 kN预紧力的协同性较好;增强锚杆的主动支护作用,使锚杆达到60 kN以上预紧力,此时与锚索180~200 kN的预紧力产生较好的协同性。     

深井破碎围岩巷道协同支护技术研究与应用

为解决煤炭资源进入深部开采时破碎围岩巷道支护所面临的变形大、易失稳、难支护等问题,提出“架棚+锚杆(索)+注浆”协同支护方案,运用钻孔窥视确定巷道围岩结构稳定性、裂隙发育特征,FLAC3D数值模拟对比分析常规锚网喷支护、锚注支护及棚锚注协同支护塑性区分布,结果表明：棚锚注协同支护技术较另两种方案表现出更好的支护效果,塑性区分布范围明显减少,应力集中现象得以缓解,支护巷道模拟变形量与工程监测较为接近。工程试验表明：采用常规锚网喷支护、锚注支护巷道仍存在较大变形,不能保持长期稳定,棚锚注协同支护巷道变形明显降低,应用期间顶板下沉量较常规锚网喷支护降低了68%,两帮位移降低了52%,满足巷道支护稳定要求。棚锚注协同支护技术对深部破碎围岩巷道变形控制效果显著,尤其在掘进影响期控制围岩作用表现突出。     

锚杆（索）让压装置作用原理及力学特性实验研究

深部软岩巷道中大面积锚杆、锚索破断现象是巷道支护面临的一个难题。在不需要改进支护材料规格和材质的基础上研制了锚杆、锚索让压装置。分析了让压装置的作用原理，让压装置预留压缩量补偿围岩变形，避免了锚杆、锚索破断，同时实现高阻让压，阻止围岩变形。让压装置力学特性实验研究基于MTS815.02型岩石伺服渗透试验系统，实验采用给定变形的方式，按照位移控制模式以0.05 mm/s的速度加载，测试了3组让压装置的力学特性，实验结果表明，3组让压装置可分别配套于普通锚杆、φ17.8 mm锚索、φ18.9 mm锚索的使用。     

磁西煤矿深部高应力巷道变形破坏机理及控制技术

磁西煤矿-890 m进风行人大巷工程地质条件较差、水平构造应力大、自承能力低,现已发生严重变形破坏。为有效控制巷道围岩变形,保证其稳定性,通过对不同屈服准则条件下深部高应力巷道变形破坏进行弹塑性分析,确定适合工程实际的屈服准则,并基于FLAC3D结合巷道围岩岩性成分分析、力学性质测试结果,对不同支护方案中的支护结构、支护参数进行对比优化,提出以锚杆、锚索为核心的锚网索喷联合支护方案。在巷道开挖后进行矿压监测,进一步验证支护方案的可靠性,并获取巷道围岩开挖后的变化特征。工程实践表明,采用锚网索喷联合支护技术对提高深部高应力巷道整体性与稳定性具有较显著效果,围岩受力、变形更趋稳定,为保证煤矿的长期安全稳定提供了有力的技术支持。     

深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践

以义马常村煤矿深部冲击地压巷道为工程背景,介绍了深部冲击地压巷道围岩地质力学参数分布特征,分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征及主要影响因素,揭示出锚杆支护对冲击地压巷道变形的本质作用是保持围岩完整性,在围岩中形成支护应力场,降低应力集中系数,改善巷道围岩应力分布,充分发挥围岩的抗冲击能力。提出冲击地压巷道支护形式选择原则,介绍了高冲击韧性锚杆支护材料力学性能及锚杆支护参数设计方法。针对常村煤矿21220下巷条件,提出以全长预应力锚固、高强度、高冲击韧性锚杆与锚索支护为主,以金属支架为辅的复合支护方式,并进行了井下工业性试验。矿压监测数据表明,该种支护方式与围岩的整体抗冲击能力强,能够有效控制深部冲击地压巷道变形与破坏。在冲击能量影响下,锚杆、锚索受力特征明显不同于普通巷道,呈波浪状或锯齿状变化趋势。     

深部高应力巷道围岩预留变形控制技术

采用理论分析、数值计算、现场试验等手段,研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形与塑性区的影响,提出了支护结构应满足围岩大变形的协调支护原则。研究结果表明:在现有支护条件下,支护阻力对深部高应力巷道围岩变形、塑性区影响十分有限,深部高应力巷道围岩总是存在一部分变形量依靠现有支护水平无法控制,将此部分围岩变形量称之为巷道围岩的"给定变形",并且这种"给定变形"随着开采深度的增加而增大;因此,对于深部高应力巷道围岩变形控制,可在巷道掘进时预留一定的变形空间,并要求支护结构应能够适应巷道围岩的大变形,以维持围岩的完整性,同时保障支护结构本身能够持续不断提供支护阻力而又不出现断裂失效。工程实践结果表明:考虑预留变形并采用"锚杆+自动让压桁架锚索"为主体,锚索加固为辅助的综合控制技术可较好的控制巷道围岩的稳定性,保障了巷道服务期间的安全使用。     

冲击巷道锚网支护参数优化研究

本文以华亭煤田巷道支护为工程背景,基于工程地质条件,采用理论分析和数值模拟相结合的研究方法,对巷道进行锚杆与锚索联合支护的数值模拟及参数匹配。在动力学条件下,对华亭煤田巷道的锚固支护进行研究,总结巷道开挖和支护中围岩变形的规律,揭示锚固支护机理。结合理论分析,在对锚杆、锚索联合支护设计的基础上,采用FLAC2D软件进行数值模拟计算,分析支护前后围岩位移变化情况,并揭示破坏机理。以顶底板和两帮相对移近量作为第一组指标,以锚杆(索)受力和变形作为第二组指标,对支护方案进行优化。     

深部大变形巷道围岩稳定性控制方法研究

针对深部高应力巷道围岩大变形难以控制的问题,采用Kastner等相关理论,研究了支护阻力对深部高应力巷道围岩变形的影响,揭示了其变形难以控制的力学本质,提出了巷道围岩稳定性控制新的支护理念。深部高应力巷道围岩大变形主要来自于两部分:1巷道周边浅部破碎围岩的扩容与剪胀等非连续性变形;2高应力致使巷道围岩产生的以塑性变形为主的连续性变形。研究表明:目前的支护水平对巷道围岩的连续性变形影响十分有限,总是存在一部分变形量无法控制,即深部巷道围岩存在"给定变形"。为实现巷道围岩稳定控制,降低支护成本,巷道围岩支护理念应由变形控制向稳定控制转变,确保巷道围岩均匀、协调变形,消除冒顶与片帮等不安全隐患,增强巷道围岩整体性与稳定性。因此,对于深部高应力巷道围岩稳定性控制,可在巷道掘进时预留一定的变形空间以容纳围岩部分"给定变形",支护结构应具有一定的连续性变形能力,又能持续提供较高的支护阻力,以维持巷道围岩的完整性与稳定性,保障巷道围岩的均匀、协调变形。工程实践结果表明:考虑预留变形并采用"可接长锚杆+刚性长螺纹钢锚杆+锚网+W钢带+喷射混凝土"综合控制技术为主,并辅以可接长锚杆强化顶板支护方案可较好控制巷道围岩的稳定性,保障了巷道服务期间的安全使用。     

深部高应力巷道围岩力学特征及稳定性控制技术

针对九龙煤矿-890m进风行人大巷复杂的工程地质情况,巷道断面较大且高应力作用显著,现已发生严重变形破坏。通过FLAC3D数值模拟对巷道围岩的力学特征进行定量分析,获得深部高应力巷道应力、应变演化特征,结合巷道周边围岩的成分分析、力学实验结果,基于FLAC3D对比优化深部高应力巷道联合支护方案,探究支护结构、支护参数的可靠性,提出以锚杆、锚索为核心的锚网索喷联合支护方案。在巷道开挖后进行矿压观测,进一步验证支护方案以及数值模拟结果的合理性,并实时监测围岩的变化特征。工程实践表明,在深部高应力巷道中采用锚网索喷联合支护,巷道的整体性与稳定性得到有效改善,围岩受力更趋稳定,变形得到有力控制,为煤矿的安全高效生产提供了技术支持。     

深井返修巷道动态支护技术研究

为了更好地解决深井高应力、破碎围岩巷道反复返修问题,基于巷道工程环境和变形破坏特征,提出了高强锚网喷支护配合锚索补强,适时采用注浆锚杆浅部注浆和注浆锚索深部注浆加固的动态支护方案,并给出了详细的技术参数。工业性试验表明,该支护方式能够限制巷道围岩的持续变形,提高围岩的整体性和承载能力,保证巷道围岩和支护结构长时间内的稳定。