本文選題：煤層巷道 + 開挖卸荷��； 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富,且分布地域廣,賦存條件復(fù)雜多樣。中東部地區(qū)煤礦地質(zhì)條件差,開采深度不斷加深,逐漸趨向1000m及以上;西部地區(qū)煤層埋藏淺,厚度大,開采條件相對簡單,露天開采、大采高綜采與綜放采煤法得到大面積推廣應(yīng)用;然而,在我國井工煤礦占據(jù)絕大多數(shù),露天煤礦大約只有2%。為開發(fā)利用深埋地下的煤炭資源,礦井每年需開掘幾萬米巷硐,這其中絕大多數(shù)為煤層巷道。在應(yīng)用綜放開采技術(shù)時(shí),會(huì)存在大量留頂煤巷道,在特厚煤層開采與急傾斜厚煤層水平分層開采時(shí),甚至出現(xiàn)全煤巷道;為克服拱形巷道的缺點(diǎn),提高生產(chǎn)效率,回采巷道斷面多為矩形;由于開采強(qiáng)度與產(chǎn)量的大幅提高,所需設(shè)備不斷大型化,隨之巷道斷面尺寸逐漸增大;巷道維護(hù)成為制約煤礦安全高效開采的難題。因此,控制煤巷圍巖的穩(wěn)定一直是本行業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),但過往研究主要以巷道頂?shù)装鍨槌霭l(fā)點(diǎn),煤巷幫部一般不作為研究重點(diǎn)。然而,煤巷是由頂板、兩幫及底板所共同構(gòu)成的整體,一旦幫部發(fā)生變形破壞依然會(huì)使整個(gè)巷道失穩(wěn),尤其當(dāng)煤巷斷面較大時(shí),巷幫破壞問題將明顯加劇;同時(shí),巷道開挖可視為一個(gè)圍巖卸荷的過程。因此,選取典型工程背景,基于卸荷觀點(diǎn)并運(yùn)用多手段來探究大斷面煤巷幫部破壞問題,具有重要的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文以紅慶河煤礦大斷面煤層巷道掘進(jìn)期間幫部煤體破碎片落嚴(yán)重等實(shí)際工程問題為背景,采取現(xiàn)場調(diào)研與實(shí)測、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論研究、數(shù)值試驗(yàn)及工程實(shí)踐等方法手段,綜合采礦學(xué)、數(shù)學(xué)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科知識(shí),對論文選題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,取得了如下所述主要成果與結(jié)論:(1)紅慶河煤礦大斷面煤巷掘進(jìn)過程中幫部破壞嚴(yán)重,破壞類型有肩角片落、中部片落與底角片落3種,主要表現(xiàn)為巷幫肩角處煤體片落;初步分析推測發(fā)生破壞的原因主要來自于地應(yīng)力水平、3-1煤節(jié)理裂隙、巷道斷面尺寸與形狀、支護(hù)不合理及其它因素等幾方面;圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)回采巷道頂板完整性較好,幫部存在不同程度的裂隙;圍巖強(qiáng)度原位測試表明頂板巖石穩(wěn)定,但強(qiáng)度相對較低,3~(-1)煤強(qiáng)度波動(dòng)較大;地應(yīng)力測量得知最大水平主應(yīng)力值介于3.76-28.68MPa之間,最小水平主應(yīng)力值介于2.79-23.42MPa之間,最大水平主應(yīng)力方向近似為NE向;最大與最小水平主應(yīng)力差值較小,且隨埋深的增加波動(dòng)平穩(wěn)。(2)通過巷幫煤體實(shí)驗(yàn)室單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮及多圍壓梯度下卸荷試驗(yàn),得到其在不同應(yīng)力路徑下的變形與破壞特性:煤樣變形隨偏應(yīng)力的增大而增大,偏應(yīng)力一致時(shí),卸載相對于加載會(huì)產(chǎn)生更顯著的擴(kuò)容;常規(guī)三軸加載下煤樣軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變大致相當(dāng),而卸載時(shí)前者只有后者二分之一大小;常規(guī)三軸加載下,隨所受圍壓的增加,煤樣變形逐漸由脆性轉(zhuǎn)為塑性,但卸載時(shí)煤樣只會(huì)發(fā)生脆性破壞;圍壓變化對煤樣強(qiáng)度具有顯著影響,但卸載時(shí)其峰值強(qiáng)度相較常規(guī)三軸加載明顯偏低;煤樣單軸壓縮與常規(guī)三軸加載下會(huì)呈現(xiàn)單一的破壞類型,而卸載時(shí)煤樣的破壞形態(tài)介于二者之間,是一種剪切破壞為主,存在部分劈裂破壞的復(fù)合狀態(tài);卸載應(yīng)力路徑將使煤樣更易發(fā)生破壞。(3)以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),提出通過相對變形模量表征的損傷因子及圍壓差比等概念,定量評(píng)價(jià)不同圍壓梯度下煤體卸荷損傷與破壞;歸納總結(jié)5種經(jīng)典煤巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則優(yōu)缺點(diǎn)與適用性并多線型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù),優(yōu)選出卸載時(shí)煤體適用的強(qiáng)度準(zhǔn)則與莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線;幫部一定范圍內(nèi)煤體會(huì)由于巷道開挖出現(xiàn)所受垂直應(yīng)力增加,水平應(yīng)力不斷降低的現(xiàn)象,且巷高的增加會(huì)加劇這一影響的范圍與程度,正是由于垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力之間的差值不斷加大使得幫部煤體發(fā)生破壞;基于卸荷應(yīng)力作用構(gòu)建了煤巷幫部破壞機(jī)理分析力學(xué)模型且通過工程實(shí)例驗(yàn)證其合理性。(4)綜合理論研究、現(xiàn)場調(diào)研及前人所得成果發(fā)現(xiàn):埋深、巷高、地應(yīng)力狀況、煤體內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及支護(hù)強(qiáng)度等幾方面因素會(huì)誘發(fā)煤層巷道幫部破壞,以上因素可歸結(jié)為設(shè)計(jì)、地質(zhì)條件及力學(xué)參數(shù)三類;利用FLAC3D軟件模擬各因素對煤巷幫部最大水平位移的影響,相關(guān)系數(shù)R回歸結(jié)果表明各因素都對研究對象具有顯著的影響;內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及支護(hù)強(qiáng)度為可調(diào)控因素,而巷高、側(cè)壓系數(shù)及埋深為基本不可控因素;3個(gè)可控影響因素響應(yīng)面法分析表明:煤幫最大水平位移回歸模型為二階響應(yīng)曲面;最大水平位移不僅受單一因素的影響,各因素間交互作用亦對其有一定影響。(5)基于本論文全部研究所得結(jié)論及相關(guān)工作面煤壁破壞加固技術(shù),提出通過減緩巷幫煤體應(yīng)力差、改善煤體性質(zhì)與提升掘進(jìn)工藝水平等技術(shù)途徑防控煤巷幫部破壞。建立典型大斷面煤巷UDEC數(shù)值模型,模擬研究幫部煤體裂隙場與變形破壞特征,分析不同巷高、掘進(jìn)工藝、煤體力學(xué)性質(zhì)及支護(hù)強(qiáng)度對其的影響,結(jié)果表明:巷高的增加導(dǎo)致兩幫煤體裂隙發(fā)育高度、深度及范圍不斷加大,裂隙分布逐漸由“窄而疏”變得“廣而密”,破壞程度與兩幫移近變形不斷加劇,煤幫上部更易發(fā)生破壞;從巷道開挖卸荷之后幫部煤體裂隙發(fā)育、變形與破壞特征3方面來看,分兩次掘進(jìn)都要優(yōu)于全斷面一次掘進(jìn)成巷,但分左右兩次與分上下兩次掘進(jìn)對煤巷整體的控制作用具有一定區(qū)別,圍巖狀況不同需采取有差異的掘進(jìn)工藝;提高煤體內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力都能在一定程度上減輕巷道開挖之后兩幫煤體裂隙發(fā)育、變形與破壞的程度,但此調(diào)控作用有限;提高巷道圍巖支護(hù)強(qiáng)度不僅可改善幫部煤體受力狀況,降低應(yīng)力差,且能在一定范圍內(nèi)提高煤體自身強(qiáng)度,巷道開挖卸荷之后兩幫煤體裂隙發(fā)育、變形及破壞程度都將隨支護(hù)強(qiáng)度的提高而顯著減小,存在臨界支護(hù)強(qiáng)度,一旦超過此狀態(tài),煤幫破壞控制效果不再有明顯改善。(6)構(gòu)建“分次開挖、柔性護(hù)表、一次強(qiáng)力支護(hù)”大斷面煤巷開挖卸荷幫部破壞控制理念,基于此提出了紅慶河煤礦3-1101工作面膠帶運(yùn)輸順槽具體控制技術(shù)并展開現(xiàn)場工程實(shí)踐,礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:煤巷圍巖整體穩(wěn)定性較好,幫部破壞得到有效控制。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD353

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1772281