本文選題：深井　切入點：沿空留巷　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：深井沿空留巷圍巖控制是巷道支護領(lǐng)域的技術(shù)難題之一,尤其是其頂板直接關(guān)系沿空留巷的成敗,實現(xiàn)對頂板巖層的控制是沿空留巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。本文采用工程調(diào)研實測、實驗室測試、理論分析、物理模擬、數(shù)值模擬等方法,圍繞深井沿空留巷頂板變形、垮冒等災(zāi)變特征及控制技術(shù)進行深入系統(tǒng)研究,闡明不同覆巖條件深井沿空留巷頂板致災(zāi)機理及其失穩(wěn)關(guān)鍵因素,揭示留巷覆巖運動型式及力學(xué)作用機制和頂板巖層控制機理,提出頂板巖層控制關(guān)鍵技術(shù)并開發(fā)出頂板穩(wěn)定性綜合評價軟件系統(tǒng)。研究成果成功應(yīng)用于深井沿空留巷工程實踐,取得主要結(jié)論如下:(1)將深井沿空留巷頂板變形破壞形式劃分為8個類型,即頂板彎曲下沉型、沿充填體切頂型、沿實體煤幫垮落型、大跨度冒漏型、充填體旋轉(zhuǎn)型、充填體壓垮型、頂板臺階型和沿煤幫滑落型,且現(xiàn)場實測表明深井留巷頂板變形破壞相對于巷道橫截面垂直和水平方向呈明顯不對稱狀態(tài)。(2)從巖石強度、巖層厚度、巖層相對位置以及巖層垮落形態(tài)等方面考慮,將深井沿空留巷覆巖結(jié)構(gòu)大致劃分為4個類型,即薄層直接頂、厚層直接頂、厚硬頂板直覆和多薄巖層。(3)利用物理相似模擬試驗平臺建立深井沿空留巷模型,研究其上覆巖層破斷下沉過程及不同階段的裂隙擴展演化規(guī)律,探明其頂板破壞不對稱性分布規(guī)律及不同類型嚴(yán)重變形破壞程度和區(qū)位特征。深井留巷覆巖裂隙擴展及圍巖體變形破壞演化過程為:巷道開挖→頂板淺部裂隙增加→采動致充填區(qū)域頂板裂隙發(fā)育→充填體偏心受載壓裂失穩(wěn)→巷內(nèi)頂板沿充填體切落或巷內(nèi)頂板回轉(zhuǎn)下沉致裂隙增加→實體煤幫頂板裂隙擴展→實體煤幫垂向和水平方向位移劇增外鼓片幫→頂板巖層加速失衡,最終導(dǎo)致留巷頂板結(jié)構(gòu)垮冒失穩(wěn)。(4)從圍巖體塑性區(qū)擴展規(guī)律著手,系統(tǒng)分析4種典型頂板條件深井沿空留巷圍巖體內(nèi)部嚴(yán)重破壞區(qū)域、破壞程度及范圍,得出如下結(jié)論:(1)薄層直接頂沿空留巷和厚硬頂板沿空留巷的圍巖塑形破壞主要集中于幫部和底板,充填體塑形破壞尤為嚴(yán)重;(2)厚層直接頂沿空留巷圍巖塑性區(qū)分布范圍廣且深度大,但充填體塑形破壞不明顯;(3)多薄巖層沿空留巷圍巖塑形破壞主要集中于巷旁充填區(qū)域頂板、充填體及其底板。(5)從圍巖體應(yīng)力場和位移場演化規(guī)律著手分析,得不同頂板條件深井沿空留巷頂板應(yīng)力分布大小順序依次為:厚硬頂板條件薄層直接頂條件多薄巖層頂板條件厚層直接頂條件,不同頂板條件的深井沿空留巷變形破壞程度從大到小依次為:厚層直接頂條件多薄巖層頂板條件薄層直接頂厚硬頂板。(6)基于深井沿空留巷頂板在垂直方向和水平方向運移破壞的動態(tài)響應(yīng)特征,闡明不同頂板條件留巷頂板致災(zāi)機理,并指出導(dǎo)致頂板支護結(jié)構(gòu)變形破壞的連鎖反應(yīng)初始點和關(guān)鍵點。薄層直接頂和厚硬頂板沿空留巷支護結(jié)構(gòu)破壞的初始點和關(guān)鍵點在充填體、煤幫和底板,厚層直接頂沿空留巷支護結(jié)構(gòu)破壞的初始點和關(guān)鍵點在頂板、煤幫和底板,多薄巖層頂板沿空留巷支護結(jié)構(gòu)破壞的初始點和關(guān)鍵點在充填區(qū)域頂板、充填體及其底板。(7)將深井沿空留巷頂板災(zāi)變失穩(wěn)因素分為兩個方面,煤巖層自然賦存的內(nèi)在因素包括高地應(yīng)力、巖層賦存特性、裂隙水和圍巖結(jié)構(gòu)特性,人為控制的外部因素包括強烈開采擾動、巷道斷面尺寸、支護因素和時間因素。綜合分析認(rèn)為煤巖層成巖性差且分布不均衡、不對稱圍巖結(jié)構(gòu)的非耦合低強度支護、跨度大及其在強采動高應(yīng)力狀態(tài)下碎裂擴容、長期蠕變是是造成頂板出現(xiàn)離層破碎難以形成承載結(jié)構(gòu)甚至發(fā)生冒頂災(zāi)害的主因。(8)根據(jù)深井沿空留巷頂板離層的區(qū)域形態(tài)和位置,將其頂板離層劃分為3個類型,即彎曲下沉型離層、傾斜錯動型離層和混合型離層,再從垂直方向和水平方向分別將其離層程度劃分為強離層區(qū)、中離層區(qū)和弱離層區(qū),并建立留巷頂板彎曲下沉型離層力學(xué)模型和傾斜錯動型離層力學(xué)模型,分別推到出頂板離層最大臨界值計算公式。深井留巷頂板彎曲下沉型離層量最大臨界值計算公式為(?)深井留巷頂板傾斜錯動型離層量最大臨界值計算公式為(?)(9)明晰切放頂后沿空留巷頂板短懸臂巖梁結(jié)構(gòu)形成的全過程,指出沿空留巷頂板存在三種短懸臂巖梁結(jié)構(gòu)類型,即“短懸臂-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)、“短懸臂-臺階巖梁(I型)”結(jié)構(gòu)和“短懸臂-臺階巖梁(II型)”結(jié)構(gòu),并分析不同巖梁結(jié)構(gòu)形態(tài)與圍巖支護體的力學(xué)作用關(guān)系。(10)建立深井沿空留巷頂板短懸臂巖梁結(jié)構(gòu)和圍巖支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,闡明不同短懸臂巖梁結(jié)構(gòu)形成機制,確定三種不同短懸臂巖梁結(jié)構(gòu)形態(tài)形成的基本判據(jù)。當(dāng)滑落失穩(wěn)系數(shù)K≥1,形成“短懸臂-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu);當(dāng)K1時,形成“短懸臂-臺階巖梁(I型)”或“短懸臂-臺階巖梁(II型)”,進一步探明基本頂關(guān)鍵塊厚度和長度、直接頂厚度、煤層厚度的變化對沿空留巷頂板短懸臂巖梁結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響規(guī)律。(11)提出深井沿空留巷頂板“多支護結(jié)構(gòu)”控制系統(tǒng),包括強化錨固體系承載性能、強化破裂煤巖體強度、強化頂幫協(xié)同承載結(jié)構(gòu)和卸荷減跨,此系統(tǒng)可保證頂板結(jié)構(gòu)完整,提高頂幫協(xié)同承載能力。(12)提出深井沿空留巷圍巖分級分區(qū)耦合支護關(guān)鍵技術(shù),將圍巖劃分成4級9個支護分區(qū),包括頂板三分區(qū)耦合支護、實體煤幫半煤巖體兩分區(qū)聯(lián)合支護、巷旁結(jié)構(gòu)體三分區(qū)復(fù)合承載和巷內(nèi)分階段輔助支護,并具體分析各分區(qū)支護體力學(xué)效應(yīng)及其保持頂板穩(wěn)定性方面的作用。(13)設(shè)計出有效控制深井沿空留巷頂板在垂直與水平方向不對稱變形破壞且具有水平雙向恒阻功能的新型錨索桁架結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)包括兩根錨索和緊貼在頂板巖面上的短槽鋼組合梁,其中短槽鋼組合梁包括主梁、副梁及2~3個U型卡纜,副梁套入主梁搭接重合一定長度并用U型卡纜固定。(14)對新型錨索桁架結(jié)構(gòu)件的幾何力學(xué)特性與強度進行分析校驗,明晰其對水平方向擠壓—松擴不對稱變形破壞雙向控制作用機理,即當(dāng)頂板發(fā)生擠壓—松擴變形破壞時,若短槽鋼組合梁在沿其軸線方向承載的作用力大于卡纜組件緊固產(chǎn)生的靜摩擦阻力,短槽鋼組合梁則能夠適度拉伸或縮進,適應(yīng)頂板巖層沿水平方向擠壓—松擴變形。(15)綜合運用物元概念的可拓學(xué)理論與層次分析法,遴選并探究深井沿空留巷頂板災(zāi)變失穩(wěn)致險的15個評價指標(biāo)及其權(quán)值,構(gòu)造經(jīng)典域物元、節(jié)域物元和可拓集合中的關(guān)聯(lián)函數(shù),建立多層次多指標(biāo)的綜合評價模型,對深井沿空留巷頂板穩(wěn)定性進行評價,確定其頂板穩(wěn)定級別。在此基礎(chǔ)上,開發(fā)出相應(yīng)的數(shù)字化綜合評價系統(tǒng),提高評價系統(tǒng)工作效率。(16)深井沿空留巷頂板“多支護結(jié)構(gòu)”控制系統(tǒng)和圍巖分級分區(qū)耦合支護關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于潘一礦東區(qū)沿空留巷工程實踐,頂板維護效果較好,其深淺部巖層沒有出現(xiàn)明顯離層和破碎,頂板支護結(jié)構(gòu)完整,滿足深井沿空留巷通風(fēng)及復(fù)用的安全性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TD353;TD327.2

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 武精科;闞甲廣;謝生榮;謝福星;陳冬冬;;深井高應(yīng)力軟巖沿空留巷圍巖破壞機制及控制[J];巖土力學(xué);2017年03期

2 馬丁;;經(jīng)濟新常態(tài)下中國中長期能源展望[J];環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展;2017年01期

3 武精科;闞甲廣;謝福星;楊增強;;深井沿空留巷頂板變形破壞特征與控制對策研究[J];采礦與安全工程學(xué)報;2017年01期

4 張頂立;臺啟民;房倩;;復(fù)雜隧道圍巖安全性及其評價方法[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2017年02期

5 謝福星;何富連;殷帥峰;武精科;張廣超;;強采動大斷面沿空煤巷圍巖非對稱控制研究[J];采礦與安全工程學(xué)報;2016年06期

6 張國鋒;許有青;葛鵬濤;;唐山溝礦厚層砂巖頂板切縫沿空成巷試驗研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2016年07期

7 張廣超;何富連;;大斷面強采動綜放煤巷頂板非對稱破壞機制與控制對策[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2016年04期

8 袁亮;;我國深部煤與瓦斯共采戰(zhàn)略思考[J];煤炭學(xué)報;2016年01期

9 姜鵬飛;張劍;胡濱;;沿空留巷圍巖受力變形特征及支護對策[J];采礦與安全工程學(xué)報;2016年01期

10 藍航;陳東科;毛德兵;;我國煤礦深部開采現(xiàn)狀及災(zāi)害防治分析[J];煤炭科學(xué)技術(shù);2016年01期

相關(guān)會議論文 前3條

1 張農(nóng);李希勇;鄭西貴;薛飛;;深部煤炭資源開采現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)[A];全國煤礦千米深井開采技術(shù)[C];2013年

2 張農(nóng);張鵬沖;闞甲廣;鄭西貴;;復(fù)合頂板架棚留巷支護技術(shù)[A];煤炭開采新理論與新技術(shù)——中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會2012年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2012年

3 湯建泉;盧國志;閆立章;;傳遞巖梁理論中巖梁初次斷裂與初次來壓步距差異分析[A];中國軟巖工程與深部災(zāi)害控制研究進展——第四屆深部巖體力學(xué)與工程災(zāi)害控制學(xué)術(shù)研討會暨中國礦業(yè)大學(xué)（北京）百年校慶學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳勇;沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)運動穩(wěn)定機理與控制研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2012年

，

本文編號：1575698