本文關(guān)鍵詞：綜放大斷面沿空煤巷圍巖穩(wěn)定性及不對(duì)稱支護(hù)

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【摘要】：大型綜放開(kāi)采必然帶來(lái)沿空巷道斷面尺寸大幅度擴(kuò)大化、采場(chǎng)支承壓力范圍和峰值顯著增大、采動(dòng)影響程度劇烈化和礦山壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重化,加之建設(shè)和發(fā)展資源節(jié)約型礦井的需要,使煤柱寬度日益縮小。在窄煤柱護(hù)巷條件下,傳統(tǒng)煤巷礦壓理論與控制技術(shù)均難以甚至根本不能適應(yīng)新的綜放開(kāi)采生產(chǎn)技術(shù)條件和發(fā)展對(duì)保障沿空煤巷安全暢通之研究主體——頂板煤巖體破壞控制的要求。大型綜放沿空煤巷頂板鉛垂方向下沉破壞相對(duì)于巷道橫截面鉛垂中心軸呈現(xiàn)不對(duì)稱、沿水平方向形成不對(duì)稱擠壓一松擴(kuò)作用破碎帶,出現(xiàn)大量舊式支護(hù)結(jié)構(gòu)失效損毀乃至惡性冒頂?shù)鹊V壓現(xiàn)象,嚴(yán)重制約了大型綜放高產(chǎn)高效開(kāi)采的進(jìn)一步發(fā)展。本文綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬和力學(xué)試驗(yàn)等方法綜合研究了綜放大斷面沿空煤巷圍巖穩(wěn)定性及不對(duì)稱的控制技術(shù)。在調(diào)研試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)生產(chǎn)概況及相似大斷面沿空巷道礦壓顯現(xiàn)情況的基礎(chǔ)上,分析了綜放大斷面沿空煤巷的礦壓規(guī)律和巷道維護(hù)特點(diǎn),進(jìn)而指出了原有支護(hù)方案存在的問(wèn)題,并采集煤巖樣進(jìn)行了物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)。闡述了綜放大斷面沿空煤巷的上覆巖層結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)而分析弧形三角塊的穩(wěn)定,在此基礎(chǔ)上研究了綜放大斷面沿空煤巷的覆巖運(yùn)動(dòng)形式、頂煤運(yùn)移規(guī)律、沿空巷道位移場(chǎng)、非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)影響因素以及對(duì)稱與非對(duì)稱載荷力學(xué)效應(yīng)。提出了綜放大斷面沿空煤巷不對(duì)稱調(diào)控系統(tǒng),揭示了不對(duì)稱桁架控頂?shù)牧W(xué)機(jī)理,得出了不對(duì)稱控制系統(tǒng)的具體參數(shù),并對(duì)沿空煤巷圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)評(píng)價(jià)。最后,進(jìn)行了不對(duì)稱支護(hù)工業(yè)性試驗(yàn),并完成了礦壓觀測(cè)。主要結(jié)論為：(1)20103運(yùn)輸平巷頂板的控制應(yīng)將重點(diǎn)放在巷道中心偏煤柱側(cè),同時(shí)兼顧與煤柱交界附近的頂板,優(yōu)化的設(shè)計(jì)應(yīng)是適當(dāng)靠近煤柱側(cè)的偏心設(shè)計(jì)。部分頂板破碎的地段網(wǎng)兜明顯,鋼筋網(wǎng)的支護(hù)作用不明顯,應(yīng)當(dāng)使用菱形金屬網(wǎng)代替鋼筋網(wǎng)。(2)20103運(yùn)輸平巷巷幫變形較大,未支護(hù)的巷幫底部變形尤為突出,錨桿的支護(hù)強(qiáng)度及密度均不足,應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度并增加錨桿數(shù)量,煤柱側(cè)還應(yīng)使用控制效果更好的螺紋鋼錨桿。(3)20103運(yùn)輸平巷0-560m段的支護(hù)方案中錨索是按照巷道中軸線呈對(duì)稱布置的,根據(jù)對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)特征的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果可知,沿空巷道的圍巖破壞形式與破壞深度沿著巷道中軸線呈現(xiàn)非對(duì)稱性,因此原有對(duì)稱性布置的支護(hù)系統(tǒng)缺乏對(duì)實(shí)際礦壓顯現(xiàn)的本質(zhì)性認(rèn)識(shí),支護(hù)效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。(4)綜放大斷面沿空煤巷頂板巖層的水平運(yùn)動(dòng)更加突出。原有的支護(hù)理念主要是以控制巷道頂板巖層垂直下沉運(yùn)動(dòng)為主,特別是單體錨索的垂直布置方式更能說(shuō)明該問(wèn)題,由于沒(méi)有能夠有效提供可靠水平控制力的支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在,支護(hù)系統(tǒng)便不能提供有效的水平方向的支護(hù)力,整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)也不能適應(yīng)綜放大斷面沿空煤巷頂板巖層的水平運(yùn)動(dòng),從而使得巷道圍巖控制變得復(fù)雜與困難。(5)2號(hào)煤層屬V類(lèi)圍巖,直接頂為屬Ⅲ類(lèi)圍巖。煤樣的自然密度為1412.62kg/m3,劈裂拉伸強(qiáng)度為1.046MPa,單軸抗壓強(qiáng)度為13.89MPa,彈性模量為2062.39MPa,泊松比為0.362,粘聚力為2.3131MPa,內(nèi)摩擦角44.34。。巖樣的自然密度為2659.10kg/m3,劈裂拉伸強(qiáng)度為7.597MPa,單軸抗壓強(qiáng)度為63.28MPa,彈性模量為11579.69MPa,泊松比為0.271,粘聚力為8.89MPa,內(nèi)摩擦角47.39。(6)綜放大斷面沿空煤巷上覆基本頂斷裂結(jié)構(gòu)有四種基本形式：基本頂斷裂線位置位于煤柱上方,基本頂斷裂線位置位于巷道正上方,基本頂斷裂線位置位于實(shí)體煤壁內(nèi)側(cè),基本頂斷裂線位置位于煤柱外側(cè),不能形成鉸接結(jié)構(gòu),20103運(yùn)輸平巷基本頂斷裂線在煤柱上方。(7)弧形三角塊的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)是沿空巷道呈現(xiàn)頂板不對(duì)稱變形和水平剪切錯(cuò)動(dòng)及煤柱失穩(wěn)破壞的根本原因�；⌒稳菈K以斷裂線為軸回轉(zhuǎn)造成沿空巷道頂板產(chǎn)生擠壓變形、煤柱幫上下不對(duì)稱變形以及實(shí)體煤幫下部?jī)A斜水平擠出變形。(8)綜放大斷面沿空煤巷頂煤開(kāi)裂位置在距巷道頂板中心1/8處偏煤柱側(cè)。損傷煤體的破碎冒漏破壞了頂煤上覆結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài),引起基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn),基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)又加重了頂煤裂縫處的擠壓。巷道頂板經(jīng)歷著“冒漏-回轉(zhuǎn)擠壓-冒漏”的往復(fù)過(guò)程。綜放大斷面沿空煤巷頂板的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)是適當(dāng)靠近煤柱側(cè)的偏心設(shè)計(jì)。(9)綜放大斷面沿空煤巷頂板下沉量同一標(biāo)高由實(shí)體煤側(cè)向煤柱側(cè)遞增。其水平位移場(chǎng),在同一標(biāo)高巷道頂板水平位移量由實(shí)體煤側(cè)向煤柱側(cè)逐漸增加,相鄰煤巖體內(nèi)左側(cè)會(huì)約束右側(cè)煤巖體向左的水平位移,導(dǎo)致強(qiáng)烈的擠壓變形。巷道兩幫淺部的水平位移,在鉛直方向由巷幫中部向頂?shù)装暹f減,在水平方向同一標(biāo)高由巷幫表面到深部逐漸減小。(10)綜放大斷面沿空煤巷鉛直應(yīng)力集中主要在巷道實(shí)體煤幫以及相鄰已經(jīng)采空的工作面。在頂板淺部,同一標(biāo)高由巷道中心向兩幫鉛垂應(yīng)力逐漸減小,在頂板深部,同一標(biāo)高由實(shí)體煤側(cè)向煤柱側(cè)逐漸減小。巷道頂板中,在鉛直方向隨著標(biāo)高增加鉛直應(yīng)力逐漸增大,在頂板淺部變化較快,在頂板深部變化減緩。(11)綜放大斷面沿空煤巷非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)影響因素包括：煤柱寬度、巷道斷面、煤層性質(zhì)及開(kāi)采深度。當(dāng)煤柱承載較大和較小時(shí),老頂層位分別形成均布垂直載荷和單斜垂直載荷,老頂層位之下分別為雙斜垂直載荷和半凹槽垂直載荷。(12)在相等的平均載荷集度作用下,雙斜載荷的力學(xué)效應(yīng)最強(qiáng),最易導(dǎo)致材料的拉剪破壞,半凹槽載荷的力學(xué)效應(yīng)僅次于雙斜載荷。均布載荷引起材料拉剪破壞的能力最弱,其次為單斜載荷。對(duì)稱載荷引起的位移大于非對(duì)稱載荷引起的位移,前者約是后者的兩倍。(13)“多錨索-槽鋼-鋼筋組合圈梁”桁架結(jié)構(gòu)可對(duì)薄弱的煤柱側(cè)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。當(dāng)巷道頂板巖層水平運(yùn)動(dòng)引起的組合梁沿其長(zhǎng)度方向承載的作用力小于或等于連接組件夾緊產(chǎn)生的靜摩擦阻力時(shí),組合梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,能夠起到抑制巷道頂板水平擠壓-松擴(kuò)變形的作用；當(dāng)組合梁承載的作用力大于連接組件夾緊產(chǎn)生的靜摩擦阻力時(shí),組合梁的長(zhǎng)度能夠適度加長(zhǎng)或減小,以適應(yīng)巷道頂板水平擠壓—松動(dòng)擴(kuò)容變形。(14)采用“多錨索-槽鋼-鋼筋組合圈梁”非對(duì)稱支護(hù)后,巷道頂板彎矩減小量計(jì)算公式為：當(dāng)0≤x≤s時(shí),(?)當(dāng)s≤x≤b-t-l時(shí),(15)通過(guò)數(shù)值模擬分析,得出120210回風(fēng)平巷不對(duì)稱桁架控制系統(tǒng)的最佳支護(hù)參數(shù)為錨索長(zhǎng)度8m,,偏心距為450mm,跨距為1.4m。不同錨索長(zhǎng)度時(shí),巷道底臌量基本相同,錨索長(zhǎng)度對(duì)底臌量的影響較小,而對(duì)巷道兩幫和頂板的變形量影響較大。(16)120210回風(fēng)平巷兩幫和頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)表明,加固后錨桿索支護(hù)設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)能滿足巷道圍巖穩(wěn)定性要求。120210回風(fēng)平巷頂板采用錨索桁架非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)際安全系數(shù)遠(yuǎn)高于所需安全系數(shù)。120210回風(fēng)平巷頂板設(shè)計(jì)只采用錨桿支護(hù)時(shí)不會(huì)發(fā)生壓縮破壞,但會(huì)發(fā)生剪切破壞,需增加錨索支護(hù)。(17)在工作面推進(jìn)過(guò)程中,120210區(qū)段回風(fēng)平巷受采動(dòng)過(guò)程中圍巖變形量并不大,兩幫對(duì)采動(dòng)影響較為敏感,但兩幫變形速度及變形量都在安全范圍之內(nèi)；頂?shù)装逶谑懿蓜?dòng)影響時(shí)呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì),基本不受采動(dòng)影響。120210回風(fēng)平巷在工作面采動(dòng)影響下基本無(wú)離層現(xiàn)象,巷道維護(hù)狀態(tài)比較穩(wěn)定。(18)120210回風(fēng)平巷超前支承壓力影響范圍在40m左右,支承壓力峰值在23MPa左右,應(yīng)力集中系數(shù)在2.48左右。在綜放大斷面沿空煤巷條件下,采動(dòng)影響支承壓力分布的范圍較大,應(yīng)力集中系數(shù)也有所增加。(19)綜放大斷面沿空煤巷頂板圍巖變形特征在沿巷道中軸線兩側(cè)呈現(xiàn)出明顯不對(duì)稱性。這種不對(duì)稱性主要體現(xiàn)為巷道頂板圍巖不同的破壞深度以及相同頂板圍巖深度不同變形程度的不對(duì)稱,而且隨著從實(shí)體煤側(cè)向煤柱側(cè)轉(zhuǎn)移,巷道頂板圍巖變形深度不斷加大以及相同深度圍巖變形程度不斷加重。
【關(guān)鍵詞】：沿空煤巷 圍巖穩(wěn)定性 頂煤運(yùn)移規(guī)律 不對(duì)稱支護(hù)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-15
• 1 緒論15-23
• 1.1 論文研究的背景及意義15-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.1 煤巷圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 巷道錨桿支護(hù)理論研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.3 巷道錨桿支護(hù)技術(shù)發(fā)展概況20-21
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容與研究方法21-23
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容與方法21-22
• 1.3.2 論文的技術(shù)路線圖22-23
• 2 綜放沿空煤巷地質(zhì)生產(chǎn)概況及煤巖樣力學(xué)參數(shù)測(cè)試23-49
• 2.1 120210回風(fēng)平巷生產(chǎn)地質(zhì)概況23-27
• 2.1.1 試驗(yàn)巷地質(zhì)及采掘概況23-25
• 2.1.2 試驗(yàn)巷原有支護(hù)方案25-27
• 2.2 煤巖樣采集及物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)27-39
• 2.2.1 煤巖樣采集及加工設(shè)備27
• 2.2.2 試樣加工與壓縮實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備27-30
• 2.2.3 物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果30-39
• 2.3 王家?guī)X煤礦沿空煤巷調(diào)研及分析39-47
• 2.3.1 工作面位置及生產(chǎn)概況39-40
• 2.3.2 202103運(yùn)輸平巷原支護(hù)方案40-43
• 2.3.3 沿空巷道礦壓顯現(xiàn)及分析43-44
• 2.3.4 沿空巷道的維護(hù)特點(diǎn)44-47
• 2.3.5 支護(hù)方案存在的主要問(wèn)題47
• 2.4 本章小結(jié)47-49
• 3 綜放沿空煤巷覆巖結(jié)構(gòu)特征及頂板不對(duì)稱破壞機(jī)理49-81
• 3.1 綜放沿空煤巷覆巖結(jié)構(gòu)特征分析49-55
• 3.1.1 沿空巷道覆巖結(jié)構(gòu)特征49-51
• 3.1.2 沿空巷道弧形三角塊穩(wěn)定性51-55
• 3.2 綜放沿空煤巷覆巖運(yùn)動(dòng)及位移演化規(guī)律55-63
• 3.2.1 沿空煤巷覆巖運(yùn)動(dòng)形式55-58
• 3.2.2 沿空巷道頂煤開(kāi)裂及運(yùn)移規(guī)律58-61
• 3.2.3 沿空巷道位移場(chǎng)特征61-63
• 3.3 綜放沿空巷道非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)影響因素63-72
• 3.3.1 數(shù)值就算模型的建立63-64
• 3.3.2 沿空巷道鉛直應(yīng)力場(chǎng)特征64-65
• 3.3.3 煤柱寬度的影響65-67
• 3.3.4 巷道斷面大小的影響67-68
• 3.3.5 煤層性質(zhì)的影響68-70
• 3.3.6 開(kāi)采深度的影響70-72
• 3.4 對(duì)稱與非對(duì)稱載荷力學(xué)效應(yīng)72-80
• 3.4.1 試塊模型的建立72
• 3.4.2 模擬結(jié)果分析72-80
• 3.5 本章小結(jié)80-81
• 4 綜放沿空煤巷頂板不對(duì)稱調(diào)控系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)81-105
• 4.1“多錨索-槽鋼-鋼筋組合圈梁”桁架系統(tǒng)81-87
• 4.1.1 不對(duì)稱桁架的提出81-83
• 4.1.2 不對(duì)稱桁架控頂機(jī)理83-87
• 4.2 沿空煤巷不對(duì)稱支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值模擬87-97
• 4.2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立87
• 4.2.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)87-88
• 4.2.3 不對(duì)稱桁架支護(hù)參數(shù)的模擬88-97
• 4.3 大斷面沿空煤巷圍巖穩(wěn)定性力學(xué)分析97-104
• 4.3.1 沿空煤巷兩幫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)97-99
• 4.3.2 沿空煤巷頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)99-104
• 4.4 本章小結(jié)104-105
• 5 綜放沿空煤巷不對(duì)稱支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)105-127
• 5.1 120210區(qū)段回風(fēng)平巷非對(duì)稱支護(hù)及施工方案105-111
• 5.1.1 沿空煤巷非對(duì)稱支護(hù)方案105-108
• 5.1.2 沿空煤巷施工方法108-109
• 5.1.3 沿空煤巷施工工藝109-111
• 5.2 現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)111-124
• 5.2.1 煤巷變形及離層111-118
• 5.2.2 超前支承壓力觀測(cè)118-120
• 5.2.3 煤巷頂板破壞情況鉆孔窺視120-124
• 5.3 本章小結(jié)124-127
• 6 結(jié)論與展望127-131
• 6.1 研究取得的主要成果127-129
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)129-130
• 6.3 展望130-131
• 參考文獻(xiàn)131-139
• 致謝139-141
• 作者簡(jiǎn)介141

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8 郭正寶;;沿空動(dòng)壓巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律研究[A];紀(jì)念中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)成立五十周年�。▍^(qū)、市）煤炭學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)�？痆C];2012年

9 何滿潮;孫曉明;金泰;席景德;;沿空順槽圍巖應(yīng)力分布“駝峰模型”研究[A];世紀(jì)之交軟巖工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望[C];1999年

10 孫曉明;何滿潮;王春秋;王同良;史哲;;底板穩(wěn)定型沿空順槽煤巷支護(hù)荷載的確定[A];世紀(jì)之交軟巖工程技術(shù)現(xiàn)狀與展望[C];1999年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 張磊鑫;沿空造巷開(kāi)采技術(shù)提高煤炭采出率[N];地質(zhì)勘查導(dǎo)報(bào);2008年

2 付莉;在急傾斜巷道實(shí)施“沿空護(hù)巷”[N];中國(guó)煤炭報(bào);2008年

3 梁勇;祁東礦安全管理“三位一體”保生產(chǎn)[N];經(jīng)理日?qǐng)?bào);2008年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 祁方坤;掘采全過(guò)程綜放沿空巷道圍巖變形機(jī)理及控制技術(shù)[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2016年

2 梅星;綜放大斷面沿空煤巷圍巖穩(wěn)定性及不對(duì)稱支護(hù)[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 周華龍;沿空巷道圍巖變形特征及控制技術(shù)研究[D];安徽理工大學(xué);2008年

2 郭正寶;沿空動(dòng)壓巷道圍巖穩(wěn)定性與支護(hù)技術(shù)研究[D];山東科技大學(xué);2011年

3 左貴強(qiáng);沿空動(dòng)壓巷道平衡支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[D];山東科技大學(xué);2010年

4 劉倡清;靖遠(yuǎn)礦區(qū)綜放沿空護(hù)巷試驗(yàn)與技術(shù)研究[D];西安科技大學(xué);2005年

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