本文關(guān)鍵詞：深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機理及冒頂控制

  更多相關(guān)文章： 偏應(yīng)力場 蝶形塑性區(qū) 窄煤柱巷道 非均勻變性破壞

【摘要】：深部巷道圍巖控制問題是近年來巷道支護工程領(lǐng)域的熱點研究問題。由于開采深度的增加,導致深部巷道圍巖的變形破壞機理和特征與淺部巷道圍巖顯著不同,巷道圍巖的穩(wěn)定性進一步惡化,導致現(xiàn)有的巷道支護理論與技術(shù)并不能很好的適應(yīng)深部巷道,造成深部巷道維護困難,支護成本急劇增加,同時引起深部開采的巷道冒頂事故增加。巷道圍巖變形破壞的實質(zhì)是由于圍巖塑性區(qū)的形成和發(fā)展引起的。目前,巷道圍巖塑性區(qū)理論認為圍巖塑性區(qū)的形態(tài)主要為圓形或橢圓形等較為規(guī)則的形態(tài),其主要適用于淺部等應(yīng)力場水平不大的巷道。而對于深部巷道來說,尤其是深部沿空巷道,由于巷道埋深的加大,圍巖不再處于均勻應(yīng)力場,其圍巖的塑性區(qū)不再是傳統(tǒng)理論認為的圓形或橢圓形等規(guī)則形狀,導致此類巷道出現(xiàn)了新的支護難題。因此,尋求適用于深部巷道圍巖的控制理論和控制技術(shù)是亟待解決的問題。河南能化焦作煤業(yè)趙固二礦為年產(chǎn)量2.4Mt的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井,主采煤層為2-1煤,煤層平均埋深700m,煤層厚度為6.0m~6.59m,平均6.32m,巷道掘進過程中巷道斷面尺寸寬度4.8m,高度3.3m。為了保證巷道的穩(wěn)定性,趙固二礦一直以來都采用30m左右的大煤柱護巷,僅煤柱的煤炭損失就達52萬t,直接經(jīng)濟損失6.2億元,大煤柱護巷雖然對巷道的穩(wěn)定起到了一定的作用,但是卻給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟浪費。為了提高資源回收率,該礦11030工作面運輸巷采用8m窄煤柱沿空掘巷,導致巷道在掘進期間頂板發(fā)生非均勻下沉、兩幫收斂嚴重、底鼓現(xiàn)象突出、支護體支護失效等現(xiàn)象,對該巷道的安全掘進產(chǎn)生了重要影響。因此,本論文以趙固二礦深部窄煤柱巷道為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試、實驗室實驗及現(xiàn)場試驗等方法,以深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布形態(tài)為主線,系統(tǒng)研究了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的力學機制,建立了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)理論;數(shù)值模擬研究了煤柱尺寸對巷道圍巖主應(yīng)力方向的影響,及主應(yīng)力方向?qū)Φ嗡苄詤^(qū)分布形態(tài)的影響,揭示了深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機理。以此為基礎(chǔ),探究了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形態(tài)的“低阻不變”性,分析研究了深部窄煤柱巷道蝶葉型冒頂機理,提出了基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù),形成了如下創(chuàng)新性成果和主要結(jié)論:1.闡明了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的力學機制。(1)當深部巷道所處的非均勻應(yīng)力場的非均勻程度越高,即側(cè)壓系數(shù)越遠離1,其圍巖的最大主偏應(yīng)力和最小主偏應(yīng)力的絕對值越大,兩者之間形成的偏應(yīng)力差越大;(2)以彈塑性力學中的圓孔應(yīng)力解和塑性力學的偏應(yīng)力理論為基礎(chǔ),利用莫爾庫侖強度準則,推導了非均勻應(yīng)力場下圓形巷道圍巖塑性區(qū)邊界方程,獲得了表征非均應(yīng)力場條件下圍巖偏應(yīng)力與圓形巷道圍巖塑性區(qū)半徑關(guān)系的表達式:(3)深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的形成,是由于圍巖中存在高偏應(yīng)力差,高偏應(yīng)力差越大,深部巷道圍巖越容易形成蝶形塑性區(qū)。應(yīng)力環(huán)境和圍巖力學參數(shù)是深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的兩個必要條件,與巷道斷面形狀無關(guān)。圍巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與蝶形塑性區(qū)尺寸大小呈反比關(guān)系,而巷道尺寸與蝶形塑性區(qū)尺寸大小呈正比關(guān)系;(4)深部構(gòu)造應(yīng)力場巷道圍巖塑性區(qū)呈豎蝶形分布,巷道圍巖肩部位置的塑性區(qū)半徑最大,頂部位置塑性區(qū)半徑次之,而幫部位置塑性區(qū)半徑最小,深部采動應(yīng)力場導致巷道圍巖塑性區(qū)呈橫蝶形分布,巷道圍巖肩部位置的塑性區(qū)半徑最大,幫部位置塑性區(qū)半徑次之,而頂板巖層塑性區(qū)半徑最小。2.揭示了深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機理。(1)深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的蝶葉具有一定的方向性,當最大最小主應(yīng)力處于水平垂直方向時,蝶葉偏移角在45°附近(偏差在±5°以內(nèi));當主應(yīng)力方向發(fā)生變化時蝶形塑性區(qū)蝶葉方向隨主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,而使蝶形塑性區(qū)的四個蝶葉位于巷道圍巖的不同位置;(2)煤柱尺寸會對巷道圍巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生重要影響。當巷道煤柱尺寸較小時,巷道圍巖主應(yīng)力方向會發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。而煤柱尺寸較大時,巷道圍巖主應(yīng)力方向會發(fā)生較小偏轉(zhuǎn)。因此,窄煤柱巷道會因煤柱尺寸較小而使巷道圍巖的主應(yīng)力方向發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn);(3)圍巖主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時,巷道蝶形塑性區(qū)的分布形態(tài)會隨之發(fā)生變化,導致蝶形塑性區(qū)的蝶葉處于巷道圍巖的不同位置:(1)當巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度小于40°時,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的四個蝶葉分別位于巷道左側(cè)頂板巖層、左幫上部圍巖、右?guī)拖虏繃鷰r及右側(cè)底板巖層內(nèi);(2)當巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度介于50°~80°時,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的其中兩個蝶葉位于巷道頂板巖層、其余兩個蝶葉右?guī)拖虏繃鷰r及右側(cè)底板巖層內(nèi);(3)當巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度介于100°~130°時,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的其中兩個蝶葉位于巷道頂板巖層、其余兩個蝶葉左幫下部圍巖及左側(cè)底板巖層內(nèi);(4)當巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度大于140°時,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的四個蝶葉分別位于巷道右側(cè)頂板巖層、左幫下部圍巖、右?guī)蜕喜繃鷰r及左側(cè)底板巖層內(nèi)。(4)圍巖塑性區(qū)尺寸與圍巖變形量呈正相關(guān)性,塑性區(qū)尺寸較大,圍巖的變形量較大,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的分布形態(tài)和圍巖的總體變形形態(tài)基本一致;(5)揭示了趙固二礦11030工作面運輸巷非均勻變形破壞機理,該巷道8m窄煤柱會使巷道所處位置圍巖的主應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中,形成了高偏應(yīng)力環(huán)境,使圍巖形成了蝶形塑性區(qū);同時,8m煤柱會使圍巖主應(yīng)力方向發(fā)生約160°的偏轉(zhuǎn),因此導致巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的四個蝶葉分別位于巷道煤柱側(cè)頂板巖層、煤柱幫煤體、煤壁側(cè)底板巖層及煤壁幫煤體內(nèi),使得蝶葉塑性區(qū)所處位置的圍巖變形量相比于其它位置的圍巖變形量較大,最終導致11030工作面運輸巷圍巖呈現(xiàn)明顯的非均勻變性破壞特征。3.提出了基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù)。(1)由于現(xiàn)有工程技術(shù)所能夠提供的支護阻力與深部巷道圍巖所受應(yīng)力場不在同一數(shù)量級上,屬于較低的支護阻力,導致深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)主要受原巖應(yīng)力場和采動應(yīng)力場的疊加應(yīng)力場控制,現(xiàn)有支護技術(shù)所能提供的支護阻力對圍巖蝶形塑性區(qū)的影響作用甚微。因此可以認為在現(xiàn)有支護工程技術(shù)水平下,深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)具有“低阻不變”性;(2)對于深部窄煤柱巷道而言,由于巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的蝶葉會位于巷道圍巖的不同位置,而使巷道圍巖不僅出現(xiàn)非均勻變性破壞特征,同時會使巷道圍巖出現(xiàn)大變形,最終導致巷道頂板下沉嚴重,錨索無法適應(yīng)圍巖大變形而發(fā)生冒頂;(3)由于蝶形塑性區(qū)具有“低阻不變”性,因此在進行支護設(shè)計時,應(yīng)將支護重點從“控制圍巖變形”轉(zhuǎn)到“防止頂板冒頂”上來,使支護體適應(yīng)塑性區(qū)巖體的大變形,提高蝶葉塑性區(qū)內(nèi)巖體自穩(wěn)能力,防止冒頂事故的發(fā)生;(4)形成了以圍巖蝶形塑性區(qū)分布形態(tài)為基礎(chǔ)的柔性冒頂控制技術(shù):利用具有大延伸率的柔性支護材料代替常規(guī)錨索控制頂板塑性區(qū)破壞深度大的巖層,充分發(fā)揮柔性支護材料的變形能力,在圍巖變形的過程中不破斷失效,提高頂板發(fā)生塑性破壞巖層的穩(wěn)定性,防止頂板發(fā)生冒頂事故;(5)在11030工作面運輸巷進行了基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù)現(xiàn)場工業(yè)性試驗,試驗結(jié)果表明,柔性錨桿可以很好的適應(yīng)頂板的持續(xù)下沉,防止頂板冒頂。雖然頂板采用柔性錨桿-錨桿支護協(xié)調(diào)變形支護頂板下沉量依然較大,但基于回采期間窄煤柱回采巷道變形量將繼續(xù)增大,使用延伸率大的柔性錨桿能夠保證巷道安全,減小巷道冒頂風險。
【關(guān)鍵詞】：偏應(yīng)力場 蝶形塑性區(qū) 窄煤柱巷道 非均勻變性破壞
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 引言15-33
• 1.1 問題的提出15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-29
• 1.2.1 深部巷道圍巖應(yīng)力場分布特征研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 巷道圍巖塑性區(qū)理論研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2.3 深部沿空巷道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀22-24
• 1.2.4 巷道冒頂機理研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.5 巷道圍巖控制理論及技術(shù)研究現(xiàn)狀25-28
• 1.2.6 研究現(xiàn)狀綜述28-29
• 1.3 論文研究內(nèi)容與研究方法29-33
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容29-30
• 1.3.2 研究方法與技術(shù)路線30-33
• 2 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)理論研究33-59
• 2.1 深部巷道圍巖應(yīng)力場特征33-36
• 2.1.1 深部構(gòu)造應(yīng)力場特征33-34
• 2.1.2 深部采動應(yīng)力場特征34-36
• 2.2 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的力學機制36-45
• 2.2.1 非均勻應(yīng)力場圓形巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析37-41
• 2.2.2 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成機制41-45
• 2.3 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征45-57
• 2.3.1 深部構(gòu)造應(yīng)力場巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征45-49
• 2.3.2 深部采動應(yīng)力場巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征49-53
• 2.3.3 深部巷道蝶形塑性區(qū)影響因素分析53-57
• 2.4 本章結(jié)論57-59
• 3 深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機理研究59-83
• 3.1 蝶形塑性區(qū)蝶葉的方向性59-61
• 3.2 煤柱尺寸對巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征的影響61-70
• 3.2.1 煤柱尺寸對巷道圍巖主應(yīng)力方向的影響62-63
• 3.2.2 圍巖主應(yīng)力方向?qū)Φ嗡苄詤^(qū)分布的影響63-70
• 3.3 深部巷道圍巖變形與蝶形塑性區(qū)形態(tài)的關(guān)系70-72
• 3.4 趙固二礦窄煤柱巷道非均勻變形破壞機理研究72-82
• 3.4.1 趙固二礦窄煤柱巷道非均勻變形破壞特征73-77
• 3.4.2 趙固二礦窄煤柱巷道非均勻變形破壞機理77-82
• 3.5 本章結(jié)論82-83
• 4 深部窄煤柱巷道冒頂控制83-101
• 4.1 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的“低阻不變”性83-89
• 4.1.1 支護阻力對深部圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響83-86
• 4.1.2 支護阻力對蝶形塑性區(qū)形態(tài)的影響86-89
• 4.2 深部窄煤柱巷道冒頂控制方法89-93
• 4.2.1 深部窄煤柱巷道頂板蝶葉型冒頂機理89-91
• 4.2.2 深部窄煤柱巷道冒頂控制對策91-93
• 4.3 柔性冒頂控制技術(shù)93-99
• 4.3.1 柔性錨桿結(jié)構(gòu)93-94
• 4.3.2 柔性錨桿支護性能研究94-97
• 4.3.3 基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù)97-99
• 4.4 本章結(jié)論99-101
• 5 現(xiàn)場工程試驗101-117
• 5.1 工程概況101-104
• 5.1.1 試驗巷道概況101
• 5.1.2 支護方案設(shè)計101-104
• 5.2 礦壓觀測及支護效果分析104-113
• 5.2.1 巷道礦壓監(jiān)測104-113
• 5.2.2 支護效果分析113
• 5.3 技術(shù)經(jīng)濟效益評價113-115
• 5.4 本章結(jié)論115-117
• 6 結(jié)論與展望117-121
• 6.1 主要結(jié)論117-119
• 6.2 主要創(chuàng)新點119
• 6.3 展望119-121
• 參考文獻121-133
• 致謝133-135
• 作者簡介135
• 在學期間發(fā)表的學術(shù)論文135
• 在學期間申請的專利135
• 在學期間獲得獎勵情況135-136
• 在學期間參加科研項目136

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 謝和平;高峰;鞠楊;;深部巖體力學研究與探索[J];巖石力學與工程學報;2015年11期

2 馬念杰;趙希棟;趙志強;李季;郭曉菲;;深部采動巷道頂板穩(wěn)定性分析與控制[J];煤炭學報;2015年10期

3 馬念杰;李季;趙希棟;趙志強;劉洪濤;賈后省;;深部煤與瓦斯共采中的優(yōu)質(zhì)瓦斯通道及其構(gòu)建方法[J];煤炭學報;2015年04期

4 李學彬;楊仁樹;高延法;薛華俊;;楊莊礦軟巖巷道錨桿與鋼管混凝土支架聯(lián)合支護技術(shù)研究[J];采礦與安全工程學報;2015年02期

5 張農(nóng);韓昌良;闞甲廣;鄭西貴;;沿空留巷圍巖控制理論與實踐[J];煤炭學報;2014年08期

6 賈后省;馬念杰;趙希棟;張勝凱;;深埋薄基巖大跨度切眼頂板失穩(wěn)垮落規(guī)律[J];采礦與安全工程學報;2014年05期

7 馮吉成;馬念杰;蔡猛;許廷輝;馬旺;;對接長錨桿在深井大采高窄煤柱巷道支護中的應(yīng)用[J];煤炭科學技術(shù);2014年08期

8 馮吉成;馬念杰;趙志強;張浩;余子明;;深井大采高工作面沿空掘巷窄煤柱寬度研究[J];采礦與安全工程學報;2014年04期

9 王飛;劉洪濤;張勝凱;孫建輝;李育吉;蔡猛;;高應(yīng)力軟巖巷道可接長錨桿讓壓支護技術(shù)[J];巖土工程學報;2014年09期

10 李學彬;楊仁樹;高延法;何曉生;王超;;大斷面軟巖斜井高強度鋼管混凝土支架支護技術(shù)[J];煤炭學報;2013年10期

，

本文編號：1028574