采动影响下软岩巷道破坏机理及控制

以淮北某煤矿109轨道大巷为研究对象,构建采动影响下大巷破坏的弹塑性力学模型,从而得出巷道围岩内表面的位移解。对轨道大巷进行“锚杆注浆”,通过现场实测,得出“锚杆注浆”能提高破碎围岩的强度,改善岩体的性质,有效控制围岩的变形。对采动影响下巷道围岩变化机理以及巷道围岩应力变化进行系统分析,为该矿后续巷道支护以及相近条件下巷道的治理提供了借鉴。     

煤巷弱胶结顶板稳定性分析与变形控制技术

煤层顶板为弱胶结岩体时稳定性差,常在煤炭回采过程中或巷道掘进时发生大变形或失稳等现象,维护难度较大。针对煤巷弱胶结粉砂岩顶板力学特征与变形控制等问题,以广西林场煤矿煤巷弱胶结粉砂岩顶板支护工程为工程背景,采用现场调研、实验室试验、理论分析等方法进行研究。通过现场调研,发现研究巷道有顶板岩层自承能力差、受水环境影响、支护结构失效率高、底板受水影响底鼓量大、受采动影响等特征;顶板岩石点荷载试验表明,其单轴抗压强度仅为1.9～ 2.3 MPa,采用电镜扫描发现,弱胶结粉砂岩以粗粒矿物为骨架;在普氏理论的基础上,推导了巷道顶板和两帮承压极限表达式,提出了提高巷道围岩整体强度和承载能力、确定合理的锚杆支护参数、顶板设计锚索加强支护等弱胶结巷道围岩控制要点。依据试验分析与理论研究成果,提出了以注浆加固为基础,锚杆和锚索联合支护的控制方案,并在林场煤矿进行了工业性试验。现场监测数据表明,设计的支护方案可以有效地控制煤巷弱胶结粉砂岩顶板变形。     

重复采动巷道塑性区调控原理与稳定控制

为研究双巷布置工作面留巷受重复采动影响围岩的变形破坏规律及稳定控制问题,综合运用数值模拟、理论分析和现场观测等方法,研究双巷间距对重复采动下留巷围岩塑性区空间分布特征及偏应力的影响规律,揭示二次采动对留巷塑性区的诱导扩展机制,提出围岩塑性区二次扩展抑制方法。结果表明：重复采动巷道围岩塑性区在巷道轴向上均可划分为6个区域,整体表现为双巷间距越大,则塑性区破坏深度越小的特征,且其形态由非对称分布向对称分布状态转化,双巷距离增加造成的应力旋转程度和偏应力峰值低是主要原因。一次采动滞后影响稳定区维护距离及周期最长,且为二次采动塑性区叠加扩展的基础,是重复采动巷道围岩稳定的关键控制区域。据此提出通过调整巷道空间位置,达到改善应力环境、调整巷道围岩破坏状态的目的,并建立了分区补强支护相结合的调控方法和控制技术体系。现场实测结果表明,该技术体系能够达到巷道安全稳定目的,效果良好。     

预应力锚索支护参数优化研究在金川二矿区的应用

针对金金川二矿区深部高应力采场巷道支护面临的困难,采用以预应力锚索为主要支护手段的综合控制技术,并在1 178 m分段巷道进行了现场试验研究.首先,基于工程经验,确定了长锚索支护的初步设计参数;然后,采用了数值分析方法,进行了正交数值试验和支护参数的优化设计,由此表明,对于Ⅲ类偏上的围岩(RMR=40)和受中等采动影响(β=1.20),预应力锚索长度应为6.5 m;对于受剧烈采动影响的1 178 m分段巷道,采用6.5 m长锚索支护,其稳定安全系数达到1.28,故5.5～6.5 m长的锚索可满足分段道的稳定要求.     

含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究

含泥岩软夹层大采高工作面回采巷道外错式变形破坏是巷道支护的新课题。通过对三道沟煤矿含软夹矸层5-2厚煤层回采巷道变形实测和围岩钻孔窥视,发现了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道两帮破坏区集中于夹矸层附近,且具有副帮大于正帮的特征,巷道变形主要来自于相邻采空区的影响。通过数值计算和物理模拟,揭示了相邻工作面侧方支承压力导致顶板产生垂直向裂隙,引起顶板与巷道夹矸层以上煤体沿软夹层向相邻采空区外错滑移的机制。建立了含软夹矸层巷道自稳平衡拱支护模型,提出了加强巷道上帮支护,控制外错滑移破坏的控制原则,给出了顶板锚索与煤帮长锚杆加强支护方案,工程实践取得了成功。     

坚硬顶板煤层一次采全高顶板支护管理研究

大采高综采技术是厚煤层开采工艺的重要发展方向,越来越多地被采用,顶板事故在矿山生产安全事故中占有较大比例,有效控制顶板,合理对顶板进行支护是采矿过程中必须认真考虑的问题。大采高综采工作面采场顶板跨度大、高度高,矿山压力复杂,管理难道大,本文针对某矿9、10号煤层大采高综采工作面顶板坚硬特性,通过理论计算出了不同工作条件下支架工作阻力和顶板支护强度参数,结合对本矿区所做的相似模拟实验结论,对顶板管理中支护强度进行了分析研究,就矿区特定顶板条件选定和提出了具体支护要求。     

软岩巷道底鼓控制技术研究

软岩巷道底鼓是软岩巷道底板支护的重要问题之一,长期以来一直制约煤矿安全高效生产。对此,以榆神矿区某矿30112回风顺槽为研究对象,通过理论分析、数值模拟确定巷道底鼓类型属“应力型”,巷道在重复采动影响下帮角、底角、底板出现明显塑性破坏。针对底鼓产生原因,提出“帮脚锚杆+底角锚杆+混凝土”复合支护技术。实测结果表明,优化支护参数后巷道底板底鼓量最大不超过16mm,底鼓最大变化量不超过2mm/天,取得了良好的现场应用效果。     

双河煤矿采动巷道顶板裂隙的分形研究

巷道顶板的变形量是评价巷道顶板稳定性的一个重要指标,巷道顶板裂隙的间距分形维是综合反映顶板裂隙发育、分布特征的一个重要参数,尝试建立二者之间的数学关系。利用多基点位移计对双河煤矿采动巷道顶板的变形量进行了监测,利用钻孔电视成像仪对顶板内裂隙的发育和分布状况进行了监测,并且计算出顶板内裂隙间距的分形维。结果表明,顶板0~2 m内裂隙最为发育,在此范围内,裂隙线密度与裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,二者具有线性关系;顶板的变形量与相应的裂隙间距分形维具有相同的变化趋势,顶板裂隙的间距分形维增大,相应的围岩变形量增大,二者之间存在线性关系。研究结果表明,顶板裂隙的间距分形维是综合反映巷道顶板稳定性的一个指标,可以作为巷道顶板稳定性的指标,对巷道顶板稳定性进行评价,为支护设计提供可靠依据。     

煤巷顶板软弱夹层层位对锚杆支护结构稳定性影响

中国煤矿开采条件复杂,煤层顶板多为分层性强的复合顶板,含有软弱夹层时采用锚杆支护技术难度大、安全可靠性低。根据煤巷顶板软弱夹层和锚固区的相对位置,采用物理模拟方法研究了三种软弱夹层层位条件下顶板的采动失稳特征和破坏型式,提出了包括锚杆支护承载性能强化、巷道破裂围岩体强度强化和围岩承载结构强化的巷道围岩强化控制原理;在应用安全因子AQ对顶板安全可靠性进行分级评估基础上,给出对应于不同顶板软弱夹层层位的煤巷分级强化控制对策。研究成果已在安徽两淮矿区煤巷工程实践中成功推广应用35×104 m。     

一次动压煤矿巷道预应力锚索支护设计与参数优化

针对阳泉矿区一次采场巷道,采用正交数值分析方法和灰色理论中的关联度分析,进行了支护参数的优化决策。选择了8因素3水平的正交数值试验方案,进行18次数值计算,研究了不同的一次动压条件（应力环境）和支护参数的巷道稳定性与变形特征。在计算中,考虑了围岩锚固的“强度效应”,提出了锚固效应在数值计算中的实施方案;提出了巷道稳定性和变形收敛率两类评价准则,确定了相应的局部优化方案。在此基础上,综合支护成本和施工难易程度等因素,采用了灰色理论进行最佳方案的关联度分析,由此获得一次动压巷道的最优支护方案。该研究已应用于阳泉矿区一次采场巷道支护设计,取得了较满意的支护效果。     

巷道断面空间岩层变形与破坏演化特征光纤监测研究

煤层开采过程中巷道围岩会发生变形、移动与破坏,其动态变化特征对巷道设计、支护等技术参数的选择具有重要的参考意义。论文结合淮南矿区某工作面回采进程,在煤巷中布设测试断面,通过钻孔布置分布式光纤传感器,对煤岩层变形与破坏过程中产生的应变参数进行实测与分析,讨论断面空间岩层变形发育规律及其采动影响特征。井下2个监测钻孔的16组监测数据分析结果表明:工作面回采过程中,底板岩层受采动影响发生变形产生位移特征明显,且受岩层界面控制,变形位置多自层面开始逐渐发育,探查区底板岩层破坏的最大深度达14.1 m,与电阻率CT结果基本一致,且超前应力显现明显,整体监测效果良好。认为分布式光纤测试技术可精确分辨采动作用下岩层的变形演化过程,有利于研究不同条件下岩层受力后发生变形及破裂的规律。     

深井煤矿硐室底臌控制对策与监测分析

针对淮南矿区顾北煤矿-648 m水平绞车房硐室底板突出严重,容易发生拉剪破坏的特点,首先采用FLAC3D对绞车房硐室支护前的围岩变形和应力分布特征进行了模拟分析：变截面处和底角应力集中明显,在高应力作用下底角剪切滑移和底板折断隆起是造成底臌的根本原因。基于分步联合支护理论,对绞车房硐室底板支护方案进行了优化,并对绞车房硐室表面与深部位移、锚索受力和基础内部应力进行了全方位监测,结果表明：原支护方案下巷道底板变形较大,巷道底角发生剪切滑移诱使巷道断面圆形化,注浆花管和底角地梁可以较好地抵抗底角处的剪切滑移;巷道底板变形量受地应力方位影响较大,采用新的底板联合支护方式不仅可以很好地满足绞车房硐室对底板变形的要求,还能加强两帮稳定性,同时保证了绞车房基础稳定。     

巷道蝶形破坏强度准则低敏感性研究及工程应用

巷道围岩的塑性区形态对巷道的破坏形式及破坏程度有重要影响。为探究三向应力场下塑性区形态演化过程,基于弹性力学推导了轴向应力表达式,并依据蝶形塑性区边界方程求解思路,确定了三维强度准则下三向塑性区近似解的求解方法。通过等球应力p、等偏应力q以及不同Lode角θ_σ来确定围岩应力加载方案,对不同三维强度准则下的围岩塑性区形态演化规律进行深入研究,论证了蝶形破坏的准则低敏感性。基于蝶形破坏理论对羊场湾160206回风巷道的非对称变形破坏机制及控制技术进行深入分析。研究结果表明：(1)在相同p、q及不同θ_σ的应力加载条件下,5种强度准则下的塑性区形态均呈现圆形、类椭圆及蝶形的演化规律,且每种强度准则在相同θ_σ的情况下围岩的塑性区形态基本一致。(2)相同应力大小、不同应力方向的加载方案下,围岩的塑性区形态大不相同。圆巷围岩的塑性区形态很大程度上由水平侧压比决定,轴向侧压对围岩的塑性区尺寸影响较大,对塑性区形态影响较小。(3)羊场湾160206回风巷道在叠加采动影响下顶板呈现非对称大变形破坏,基于蝶形塑性区支护思路,应用非对称锚杆索+...     

沙曲矿区地应力及采场地压的综合监测与分析

作为典型复合型顶板的矿山,沙曲矿区的工程地质条件受到多条构造带影响,采煤工作面顶底板均为不稳定性软岩,并含少量裂隙水。为了调查该矿区的地应力条件及地压规律,本文在沙曲矿区的主要开拓巷道中开展了6个地点的地应力测试,结果表明该矿区的地应力场比较均匀,属于准静水应力场。采用现场应力套孔解除和室内围压率测定的方法得到最大水平主应力数值在20.11～22.87(MPa)之间,侧压系数在2.25～2.85范围内,属较高应力;针对24101等工作面的大采高综采巷道进行了煤柱支承压力的现场监测,结果表明24101工作面的巷道煤柱应力分布特点可以分为塑性破坏区、峰值应力区和原岩应力区;同时,对南翼14204工作面顶板进行了离层监测和锚杆测力计载荷观测,结果进一步揭示了随着时间的推移,巷道顶板稳定性的衰减主要是由于离层数量的增加所造成的规律。该地应力及采场地压的综合监测及分析结果对沙曲矿区的支护设计和安全生产具有重要指导和实用价值。     

深部急倾斜煤层偏压巷道支护参数优化研究

深部急倾斜煤层由于受特殊的地质结构和高地应力影响,煤层巷道开挖后易出现地层错动、垮塌的特点,施工中冒顶、底臌现象异常突出,巷道支护极其困难。通过对新集三矿-700 m煤探巷道进行现场勘查与试验,针对该急倾斜软岩巷道变形非对称性,底臌严重、地层错动的破坏特点,提出了可缩性U型钢全断面封闭支护和非对称性预应力锚杆(索)支护的全新支护方案,通过大型有限元软件ABAQUS建立数值分析模型,与原支护方案进行了对比分析。研究表明,采用改进支护方案巷道底臌位移量减小了66%,最大拉应力从0.58 MPa减小到0.38 MPa,塑性区较原方案更小,支护结构受力更加均匀。其结果可为同类地质条件的巷道支护设计提供一定参考。     

软岩巷道锚网索联合支护设计及支护效果分析

软岩巷道围岩松散破碎承载力低,在工程荷载作用下,具有明显的塑性变形和强流变性。传统单一的支护手段难以保证其安全和稳定。高家梁煤矿2-2上煤层巷道是典型的软岩巷道,其围岩遇水泥化、膨胀、崩解,进而造成巷道出现断面收缩、片帮、冒顶等失稳现象。针对高家梁煤矿2-2上煤层20110综采工作面回风顺槽的软岩问题,结合该巷道具体工程地质条件及围岩物理力学特性设计出锚网索联合支护的方案。通过FLAC3D数值模拟分析及现场巷道围岩表面位移监测,对该方案的支护效果进行了分析,其结果证明了该联合支护方案可以有效的控制膨胀型软岩巷道的稳定性,从而保证了煤矿的安全生产。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC~(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用EI北大核心CSCD

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC^(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

采动微地震波传播与衰减特性研究

为分析采动地震波煤岩响应及其波场特性,构建顶板岩层和煤层2种传播介质接收采动地震波的多通道微震监测系统,研究2种介质采动地震波的传播和衰减特征。研究结果表明：顶板岩层接收到采动地震波的平均波速、加速度均高于煤层,2种介质中的地震波加速度均与爆破装药量成正相关,与传播距离、介质密度负相关。采动微地震波能量、信号时长随传播距离分别呈指数、线性衰减,近爆心处煤层传播微地震波能量、信号时长均高于顶板,超过一定距离后顶板高于煤层;采动微地震波传播距离有限,顶板的有效传播距离高于煤层,地震波有效传播距离与爆破装药量线性正相关。采动地震波低频部分的品质因子高于高频部分,顶板岩层的品质因子高于煤层。研究成果有助于地震波传播介质选取、检波器布设优化。     

深部高应力软岩动压巷道加固技术研究

为解决深部软岩高应力动压巷道维护的技术难题,针对孔庄矿-620软岩大巷处高应力区、受上方7335水采工作面、8331综采工作面采动以及断层影响的特征,分析其破坏状况和因素,模拟研究了采动影响前后大巷变形规律,掌握大巷应力状态变化规律及影响区域,提出大巷加固思想,优化加固方案,确定了合理加固参数。研究成果表明,采用锚网索喷+锚注联合支护技术,利用新型专利注浆锚杆,对大巷周围2 m范围注浆,能够有效控制大巷变形。进行井下工业性试验,通过注浆前后围岩力学性质对比、实摄及矿压观测手段检测,结果表明-620大巷变形破坏得到了有效的控制。