深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制模型试验研究

为研究深部厚顶煤巷道围岩变形破坏特性及其机制,以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,开展了大比尺地质力学模型试验,对让压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩位移、应力演化规律进行的研究表明：巷道顶底板围岩竖向应力释放较两帮剧烈,水平应力释放反之,巷道顶板中部围岩是顶板竖向应力释放的主要部位。通过与现场试验结果对比验证,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏的3个主要特征：顶板变形破坏较两帮和底板严重、顶板围岩变形破坏主要发生在煤岩交界面以下的煤体中、巷中是顶板变形破坏的关键部位,并进一步分析了相应机制：顶板煤岩松软破碎、自承能力差、顶板及其巷中竖向应力释放相对更为剧烈、矩形巷道顶板受力状态差等因素,导致顶煤所受径向应力低,碎胀变形剧烈,且弯曲变形、离层严重,顶板受力结构恶化,最终导致顶板控制困难。     

基于上限法的深部大断面回采巷道顶板锚索设计方法研究

针对目前深部大断面回采巷道控制难题和相应的高强锚索控制技术,考虑顶板围岩应力与支护荷载影响,利用Hoek-Brown强度准则及塑性力学中的极限分析上限法,得到了大断面巷道顶板的冒落破坏机制,提出了顶板锚索长度及匹配预紧力的设计方法。基于建立的锚索设计参数影响因素敏感性指标对巷道宽度、岩体重度、围岩应力、岩体抗压强度、抗拉强度、锚索布设间距、顶角锚索布设倾角等因素的影响进行了分析。结合现场实际情况,提出了深部大断面回采巷道围岩控制的工程建议。将此设计方法应用到千米深井赵楼煤矿1305孤岛工作面的运输顺槽顶板锚索参数确定中,有效地控制了围岩变形。研究表明:在高应力大断面回采巷道中,顶板锚索需锚固在稳定岩层中,并施加足够的预紧力,才可有效控制顶板围岩冒落或破坏;顶板锚索所需预紧力随岩体抗拉强度、抗压强度及岩体经验参数A的增大而减小,随巷道宽度、岩体重度、围岩应力、锚索布设间距、顶角锚索布设角度以及岩体经验参数B的增大而增大,其敏感性最高的影响因素为围岩应力。因此,在深部高地应力巷道设计中,需特别重视地应力的影响,采用高强、高延伸率锚索,增设锚索定量让压装置,高阻让压有效释放围岩应力,并通过施加高预紧力或注浆加固等方式来提高围岩完整性,获得较好的围岩控制效果。     

矿井深部巷道围岩变形浅析及控制

矿井深部巷道开挖后处于裂隙、塑性、弹性围岩包围范围内。通过计算对包围巷道围岩的3种圈层范围的力学性能进行分析,进而阐述了巷道的变形机制,得出了塑性圈层围岩内的应力应变表述式。对于选择巷道的支护机制,经济有效的控制裂隙化圈层范围的扩大,改善其应力状态,提高其自身的残余强度和承载能力,对深井巷道锚杆综合支护体系的选择,提供了一定的理论支持。     

万福矿深埋大断面T型交叉点高预应力NPR支护机制及应用

为解决深部大断面软岩巷道交叉点大变形问题,以万福煤矿千米深井巷道交叉点为工程实例,首次在巷道支护中运用微观负泊松比（negative Poisson’s ration,NPR）钢锚索。采用室内试验、理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,分析了深埋巷道交叉点的围岩变形机制,提出了以微观NPR钢锚索为核心的控制对策。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢锚索的力学特性进行研究,结果表明,微观NPR钢锚索拉伸全过程表现为高恒阻,均匀拉伸,无屈服平台,破断时无明显颈缩现象。通过理论推导,基于T型巷道交叉点围岩最大影响范围,建立微观NPR钢锚索支护T型巷道交叉口最大影响范围计算模型。通过数值模拟,再现T型巷道交叉口的破坏演化过程,分析对比普通支护/微观NPR钢锚索支护效果。现场开展支护应用试验与监测,验证了长短微观NPR钢锚索联合支护对策具有良好的交叉口围岩大变形控制效果,为交叉口围岩安全稳定控制提供了新支护材料和支护手段。     

大断面综放沿空巷道煤柱合理宽度与围岩控制

确定合理的区段煤柱宽度及巷道支护型式和参数,对于提高资源回采率和巷道安全性及实现综放开采高产高效意义重大。以王家岭煤矿20103区段运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值分析了不同煤柱宽度下围岩主应力差、变形及破坏演化规律,认为合理煤柱宽度为6～10 m,并结合实际地质和生产条件确定试验巷道煤柱宽度为8 m。采用理论分析和现场钻孔窥视方法综合确定基本顶断裂线位于距采空区约7 m处,认为由于综放沿空巷道围岩性质结构和应力分布沿巷道中心线呈明显非对称性,将引发煤柱侧顶板严重下沉和肩角部位煤岩体错位、嵌入、台阶下沉等非对称破坏特征,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位。在此研究基础上,针对性地提出了以高强锚梁网、不对称锚梁、锚索桁架为主体的综合控制技术,详细阐明了具体支护措施的控制机制,并进行现场应用。工程实践表明,8 m煤柱宽度合理,该支护技术能够保证窄煤柱沿空巷道围岩稳定,并已在王家岭煤矿大面积推广应用,对类似工程条件的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

深部厚顶煤巷道让压型锚索箱梁支护系统布置方式对比研究

针对深部厚顶煤巷道围岩变形特点,以“先控后让再抗”为支护理念,设计了让压型锚索箱梁支护系统横梁、纵向单梁、纵向双梁及纵横组合4种不同布置方式的支护方案。数值试验结果表明,纵横组合方案具有最好的围岩控制效果,横梁方案支护效果相对较差。对让压型锚索箱梁支护系统的4种方案进行了现场试验,监测结果显示,纵横组合方案作用下的围岩变形量最小,其两帮移近量和顶板沉降量仅为120 mm和90 mm,同时该方案支护反力最大;锚杆、锚索受力与巷道围岩控制效果相对应,且锚索让压环作用明显;设计制作的测力箱梁监测表明,箱型支护梁受力合理协调,材料性能发挥充分。对让压型锚索箱梁支护系统及其不同布置方案的作用机制进行了探讨。综合分析表明,深部厚顶煤巷道中,优先选用让压型锚索箱梁支护系统中的纵横组合与纵向单梁方案,可有效地控制巷道围岩变形,满足支护要求。     

煤矿深部巷道破裂围岩非线性大变形及支护对策研究

针对淮南矿区顾北煤矿-648 m水平南翼回风大巷围岩处于破裂状态,且表现出强烈非线性力学现象的特点,采用离散元计算软件UDEC,分析其变形破坏过程及非线性大变形机制,并在此基础上提出应用分步联合支护的技术方案进行支护,进而通过数值模拟与现场监控量测相结合的方法进行分析验证。结果表明,破裂围岩开挖后的变形破坏过程是一个渐近发展的过程,局部关键块体的垮落或滑移是导致其他部位失稳和巷道产生非线性大变形的主要原因;分步联合支护技术能实现巷道的长期稳定性,是一种有效控制深部巷道破裂围岩非线性大变形的支护型式。     

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现“浅部拉应变、深部零应变”的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现“径向应变拉压交替分布”现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。     

软岩巷道可缓冲渐变式双强壳体支护原理及实践

深部软岩巷道承受高地应力作用,导致围岩产生流变大变形是影响其安全稳定的重要因素。以阳煤一矿西大巷工程为例,分析软弱围岩变形破坏机制;建立能够反映工程地质状况及初始设计方案的有限元模型,以现场监测变形数据和钻孔窥视围岩变形破坏深度为基础,反演获取围岩力学参数和蠕变参数。提出适合软弱流变岩体的可缓冲渐变式双强壳体支护方法,即根据围岩破坏情况进行分层注浆加固,并在最外部架设可缩性U型钢支架,形成可变形缓冲层。建立新型支护方案的有限元模型,利用围岩反演参数预测围岩变形情况,并通过与现场监测数据对比分析,验证了所提支护方案的有效性。     

超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道施工风险分析及控制研究

以广－珠铁路江门隧道下穿富水河道段为依托,针对其超浅覆、大断面、富水等特点,对超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道的风险源进行系统分析,阐述风险产生的原因及造成的危害。在对可能采用的预加固手段及开挖方案进行初步比选后,采用三维数值模拟手段进一步量化比选,提出在地表隔水措施基础上,采用水平旋喷与大管棚复合超前支护并结合三台阶法开挖方案。研究表明,该方案能有效止水并加固地层,有效规避塌方风险,保证隧道施工安全的同时,加快施工进度及降低造价,可为类似工程提供参考。     

基于非连续变形分析方法的深部沿空掘巷围岩变形破坏及控制机制对比研究

利用非连续变形分析方法（DDARF）对单节理锚固试件在单轴压缩条件下的变形破坏及裂隙扩展过程进行分析,并以深部厚顶煤综放沿空掘巷--赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,应用DDARF对沿空巷道围岩的变形破坏及控制机制进行研究,同时利用地质力学模型试验及现场试验进行对比验证。重点分析了沿空巷道围岩裂隙演化规律,并定义裂隙率 及裂隙减少率 两个指标对DDARF计算中的沿空巷道裂隙演化规律进行定量分析。研究结果表明：采用DDARF方法对单节理试件在无锚和加锚条件下的单轴压缩试验计算与室内试验结果相吻合;对沿空掘巷过程中巷道围岩变形情况进行DDARF计算,结果显示,围岩变形呈现沿空帮>顶板>实体帮>底板的变化趋势,与模型及现场试验监测数据相符;根据 及 两个指标对计算得到的无锚和加锚沿空巷道围岩裂隙发育情况进行定量分析,结果显示,沿空巷道围岩破坏趋势为 ,与变形趋势相一致;虽然锚固效果明显,但由于Ⅰ区、Ⅱ区本身围岩破碎严重,支护后裂隙率最大的 仍然是裂隙率最小的 的2.13倍,为了维护围岩稳定性,除了进行锚杆（索）非对称支护外,还应对Ⅰ区、Ⅱ区关键部位增加支护措施。DDARF方法关于沿空巷道围岩变形破坏的计算结果与实际工程相近,可有效开展裂隙演化与变形破坏机制研究,分析此类巷道的控制对策。     

大断面厚顶煤巷道顶板冒落破坏的上限分析

根据大断面厚顶煤巷道顶板的破坏特性,考虑了顶板围岩应力水平与支护荷载的影响,利用Hoek-Brown强度准则及其相关联的流动法则,构造出厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机构。基于塑性力学中的上限分析方法,结合变分原理,推导得到了大跨度厚顶煤巷道顶板的冒落破坏机制,并以赵楼煤矿某巷道现场实践为例,分析了不同计算参数对顶板冒落破坏机制的影响。计算研究表明：随着岩体经验参数A、抗拉强度、抗压强度及支护荷载的增加,冒落体尺寸随之增大,而当岩体经验参数B、围岩应力及岩体重度增加时,冒落体尺寸则随之减小;冒落体尺寸代表了巷道顶板安全性能的大小,其尺寸越大,表明使巷道顶板发生冒落破坏所需外力功越多,顶板安全性能也越高;岩体经验参数B、围岩应力水平与支护荷载对顶板围岩破裂机制影响较为显著,参数B决定了冒落体的破裂形状,随着参数B的增加,冒落破裂迹线的曲率不断减小;增大支护阻力是提高顶板稳定性的有效途径,其研究结果可为大断面厚顶煤巷道支护设计提供一定的理论依据。     

朱集矿深井软岩巷道大变形机制及其控制研究

为了研究深井软岩巷道大变形机制及其控制对策,以淮南矿业集团朱集矿 885 m东翼轨道大巷为支护工程实践。该巷道为典型的深井高地应力软岩巷道,开挖后围岩表现出强烈非线性大变形特点,变形速率大。首先进行了围岩大变形等级识别,并基于Hoek-Brown弹塑性模型分析了巷道围岩的应力场、位移场,考虑巷道断面形状、围岩强度特征、巷道群扰动等影响,揭示了该巷道的大变形机制。针对 885 m轨道大巷提出了新支护方案,该方案尤其注重底板支护和底角抗剪支护。数值模拟和现场监测表明,该支护方案取得了良好效果,是一种有效控制深井软岩巷道大变形的支护方法。     

近直立特厚煤层深孔爆破防治冲击地压效果检测

为了对近直立特厚煤层冲击地压进行防治,采用地面岩柱深孔爆破方法对煤层间岩柱进行预裂爆破,并采用地面EH-4探测法和井下瞬变电磁探测法对爆破前后岩柱体的物理力学结构进行探测,对卸压效果进行分析。EH-4探测表明,深孔爆破后岩柱结构破坏明显,在+550~+650 m水平范围时,岩柱体的电阻率等值线由近直立向近水平发育,视电阻率值主要集中在150~250 Ω·m,明显高于未爆破区域;井下瞬变电磁探测表明,深孔爆破后岩柱裂隙增大,探测区域前方20~90 m,视电阻率值从爆破前的25~86 Ω·m增加到爆破后的84~216 Ω·m,出现高阻异常区域。深孔爆破后岩柱破碎效果较好,岩柱体内积聚的弹性能得到释放,卸压效果明显,有效降低了冲击地压发生的危险性。     

深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制及控制

针对深部构造应力作用下煤巷“肩角锚杆破断”问题,建立肩角锚杆力学分析模型,分析煤帮沿顶板滑移对锚杆的作用,得到肩角锚杆的受力、变形特征,揭示深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断机制,即在煤帮沿顶板的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,且构造应力越大,弯曲变形越严重;肩角锚杆在煤岩层交界面处受到的剪力最大,而使得锚杆在交界面处易被剪断。针对深部构造应力区煤巷肩角锚杆破断问题,提出“控让耦合支护”围岩控制技术,并成功应用于工程实践。     

顾桥煤矿深井岩巷破碎软弱围岩支护方法探索

为探索煤矿深井岩巷破碎软弱围岩的支护方法,结合淮南矿业（集团）公司顾桥煤矿-780 m水平南翼轨道大巷的支护工程实践,揭示了深部岩巷的变形规律,并分析了煤矿深部破碎软弱围岩支护的难点及其支护机制,提出顾桥煤矿南翼轨道大巷分步联合支护的设计理念和优化支护方案。结合围岩表面位移、深部位移等现场监测数据,对新旧支护方案的效果进行了对比,研究结果表明,顾桥煤矿-780 m水平南翼轨道巷采用分步联合支护方法取得了较理想的支护效果。深部岩巷的支护受高地应力、岩体力学性质等因素影响,应结合巷道围岩地质条件采取适当的支护措施,让各种支护手段在时间和空间上实现有效结合,充分发挥并提高围岩的自身承载能力。     

深部岩巷分区破裂围岩稳定性控制方法及应用

深部高地应力岩巷开挖后围岩内出现分区破裂现象,采用传统的原设计方案巷道稳定性差。根据巷道围岩变形破坏的现场监测结果,经过理论分析和支护试验,提出了“提高法向约束、锚杆增韧止裂、协调耦合支护、应力内部转移、分区充填注浆、增强围岩强度”的锚注一体化综合控制方法理念。并提出了相对应的综合支护技术,即首先采用高预紧力超强锚杆及时支护围岩,锚杆的长度和数量分别由监测结果和分区支护能量判据确定;其次采用高强锚索让压梁支护巷道顶板,实现锚杆、锚索的协调耦合支护和围岩应力内部转移;最后采用中空分段螺旋式注浆技术进行滞后加固。最后针对监测巷道采用锚注一体化综合控制方法和技术进行了支护优化设计并进行现场支护试验,监测结果表明,优化支护的巷道稳定性良好。