本文關(guān)鍵詞：采空區(qū)下近距離動壓巷道礦壓特征及支護(hù)模擬研究

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【摘要】：本文為了研究采空區(qū)下近距離動壓巷道的支護(hù)技術(shù),首先以新峪礦采空區(qū)下典型巷道為研究背景,通過開展現(xiàn)場礦壓監(jiān)測工作,分析了巷道在采動影響下的圍巖變形規(guī)律和破壞特征,得到了巷道所處工作面的周期來壓相關(guān)數(shù)據(jù),了解了常用巷道支護(hù)在回采階段存在的不足�；诂F(xiàn)場觀測結(jié)果和支護(hù)參數(shù)理論計算,對新峪礦采空區(qū)下巷道的支護(hù)提出了優(yōu)化方案,利用FLAC3D軟件進(jìn)行建模分析,通過對比圍巖位移、應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布選出了最優(yōu)支護(hù)方案。從采動壓力入手,歸納總結(jié)了學(xué)者們對于采動壓力的相關(guān)研究成果,概括了采動壓力的靜壓效應(yīng)和動壓效應(yīng),以此為設(shè)計思想,設(shè)計并制造了新型的動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置。利用該裝置進(jìn)行了室內(nèi)相似模擬試驗,研究了巷道在采動壓力作用下的圍巖變形破壞特征,以及采動動壓效應(yīng)作用下的圍巖損傷特征,對比分析了常用支護(hù)和最優(yōu)支護(hù)下巷道的圍巖變形特征和應(yīng)力分布規(guī)律,驗證了優(yōu)化支護(hù)方案的可行性。(1)新峪礦采空區(qū)下近距離巷道及工作面礦壓監(jiān)測為了之后進(jìn)行動壓巷道支護(hù)技術(shù)的研究,需要先行對巷道受采動影響的情況進(jìn)行調(diào)查,判別支護(hù)是否存在不足之處。首先觀測了6118材料巷回采期間的圍巖變形情況,通過在巷道內(nèi)布置位移測點,監(jiān)測了頂板下沉量、頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛康淖兓�。觀測期間巷道圍巖的總體變化趨勢是,豎向收斂比兩幫收斂更為明顯,單獨的頂板下沉量與兩幫移近量相當(dāng),頂?shù)装逡平枯^大,其值可達(dá)到同時間段內(nèi)兩幫收斂量的2.02~3.09倍,底鼓比較明顯,頂板比較完整,表現(xiàn)出整體下沉的變化趨勢,這與幫部支護(hù)強(qiáng)度不足,幫部局部出現(xiàn)了支護(hù)破壞的現(xiàn)象有關(guān);距工作面10m的范圍內(nèi),是采動影響的劇烈區(qū),頂?shù)装�、兩幫的變形速率均會加�?兩幫在此區(qū)域受到的影響更為顯著。然后,通過在液壓支架安裝具有自記功能的壓力表,采集并分析液壓支架的工作阻力,得到了一系列工作面周期來壓的特征參數(shù)。其中,主要得到了工作面的周期來壓步距,其值在12.9~19.4 m的范圍內(nèi),平均為16.9m,靠近工作面兩端的位置較大。得到了工作面的周期來壓步距,可用于指導(dǎo)之后相關(guān)的試驗研究設(shè)計。最后分析了巷道圍巖變形的機(jī)理,采空區(qū)下的巷道由于上層煤柱側(cè)向支承壓力的存在,與常規(guī)巷道相比,幫部巖體容易因受壓而膨脹,導(dǎo)致幫部支護(hù)發(fā)生破壞,層狀底板更易產(chǎn)生底鼓。頂板由于幫部的破壞而整體下沉,而上層采空區(qū)滲水會加劇鋁質(zhì)泥巖的底板隆起,因此提出了加強(qiáng)幫部支護(hù),抽排采空區(qū)積水的優(yōu)化對策。(2)新峪礦采空區(qū)下近距離巷道支護(hù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)場監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的新峪礦采空區(qū)下巷道支護(hù)存在的不足進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。首先,通過理論計算,發(fā)現(xiàn)新峪礦典型巷道的幫部支護(hù)參數(shù)不滿足計算要求,計算得到錨桿直徑不應(yīng)小于16.9mm,錨桿長度應(yīng)大于1860mm,而實際中幫錨桿直徑僅有16mm,長度1800mm,均未達(dá)到要求,因此需要對幫部支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。然后,考慮到該巷道位于采空區(qū)下,頂板一定范圍內(nèi)不存在完整、堅硬的巖層,錨索起不到應(yīng)有的懸吊作用,單獨布置錨索起不到理想的效果,所以需要對頂板錨索進(jìn)行調(diào)整,將頂板錨索與頂板錨桿打設(shè)在同排,替換相應(yīng)位置的錨桿,并通過W型鋼帶連接成一個整體性支護(hù)。根據(jù)以上兩方面思路,對新峪礦采空區(qū)下巷道設(shè)計了4個優(yōu)化支護(hù)方案,其中方案1~方案3作為一組,比較錨桿長度的增加對支護(hù)效果的影響,方案4與其他方案進(jìn)行比較,研究增加幫錨索對支護(hù)效果的影響。隨后,利用FLAC3D進(jìn)行建模,模擬了巷道的開挖和工作面的回采,其中掘進(jìn)距離為50m,回采距離為30m,并設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測點,對巷道的變形和圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析。通過分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)階段,增強(qiáng)幫部錨桿的直徑和長度,能起到減少巷道圍巖變形的效果,但一味地增加幫錨桿的長度,帶來的是成本增加迅速,效果提高不顯著;而方案4通過增設(shè)幫錨索,使之與幫錨桿形成一個整體性支護(hù),即便增加了錨桿的排距,支護(hù)的效果卻是最好的,相比于常用方案,頂板下沉量減少了2.63%,兩幫移近量減少了13.14%。而在回采階段,方案1~方案3對比發(fā)現(xiàn),隨著錨桿長度的增加,支護(hù)效果反而不理想,不能一味地增加幫錨桿的長度;方案4相比于常用支護(hù),大幅度減少了圍巖變形量,頂板下沉量減少了21.54%,兩幫移近量減少了25.48%,同時還能緩解上層煤柱的應(yīng)力集中程度,減少圍巖塑性區(qū)范圍,改善回采期間巷道的支護(hù)效果是最明顯的,而且支護(hù)成本也是最低的。通過比較可得,優(yōu)化方案4是最優(yōu)的支護(hù)方案,可見在采空區(qū)下的巷道施加幫錨索,支護(hù)效果提升比提高幫錨桿的規(guī)格要更加明顯。(3)采動的動靜壓效應(yīng)研究從采動壓力出發(fā),歸納總結(jié)了學(xué)者們對于采動壓力的相關(guān)研究成果,推導(dǎo)了工作面前方某一區(qū)域某一時間的超前支承壓力公式:利用數(shù)值模擬的方法,獲得了回采期間巷道周圍圍巖豎向應(yīng)力的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了巷道靠工作面一側(cè)圍巖,應(yīng)力變化符合超前支承壓力的分布規(guī)律,水平方向上與巷道距離越遠(yuǎn),應(yīng)力集中系數(shù)越大,豎直方向上,越靠近巷道水平位置,應(yīng)力集中系數(shù)越大。巷道靠煤柱一側(cè)圍巖,隨著工作面鄰近,應(yīng)力均呈現(xiàn)出一直增長的趨勢,由于位于上層采空區(qū)煤柱下方,因此豎直方向上越遠(yuǎn)離巷道水平位置,應(yīng)力增大倍數(shù)越大,通過對應(yīng)力變化曲線進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)曲線基本符合以e為底的指數(shù)函數(shù)分布,即函數(shù)形式為 。上層采空導(dǎo)致了下層工作面的頂板不完整,沒有堅硬完整的頂板后,支承壓力作用明顯減弱,巷道周圍的超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的影響范圍僅為5~10m,相比常規(guī)類型巷道,影響范圍大大縮小�？偨Y(jié)了采動巷道的靜壓效應(yīng):巷道開始時處于原始應(yīng)力場的作用,應(yīng)力值基本保持不變,隨著工作面的靠近,到某一距離時開始受到超前支承壓力和側(cè)向支承壓力疊加作用的影響,當(dāng)快鄰近工作面時,超前支承壓力開始衰減,至此巷道主要受側(cè)向支承壓力的影響,直至最終回采結(jié)束。簡要分析了采動的動壓效應(yīng),將動壓對巷道產(chǎn)生的振動作用簡化為兩類,一類震源在巷道的上部,質(zhì)點振動方向與傳播方向一致,對巷道而言屬于縱波的作用,另一類震源則在巷道水平的方向上,質(zhì)點振動方向與傳播方向垂直,對巷道而言屬于橫波的作用。并以地震力學(xué)的相關(guān)理論公式為基礎(chǔ),介紹了試驗中振動荷載參數(shù)的選取方法。(4)動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置的研制通過數(shù)值模擬的方法驗證后,給出了最優(yōu)的支護(hù)方案,為了在生產(chǎn)實踐前進(jìn)一步驗證方案的可行性,需要進(jìn)行實驗室內(nèi)的相似模擬試驗。將巷道受到的采動作用簡化為動、靜荷載兩部分,在相似試驗中直接施加給模型巷道,并圍繞這個思路設(shè)計了新型的動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置,完成了制造、安裝和調(diào)試。試驗裝置主要由內(nèi)框架、外框架、頂部靜載油缸、頂部振動油缸和底部振動油缸組成,內(nèi)框架與外框架形成嵌套式結(jié)構(gòu),內(nèi)框架可在底部振動油缸的作用下,沿外框架的滑軌上下移動。內(nèi)框架作為獨立的力系,可實現(xiàn)靜、動荷載的同時加載、互不干擾。頂部靜載油缸用來對模型材料施加靜壓力,模擬超前支承壓力和側(cè)向支承壓力的變化。頂部振動油缸和底部振動油缸用來對模型材料施加振動作用,區(qū)別在于頂部振動油缸模擬的震源在巷道上方,產(chǎn)生的振動方向與傳播到巷道的方向一致,對模型而言相當(dāng)于縱波的作用,而底部振動油缸其模擬的震源是在水平方向某一距離處,模型中質(zhì)點的振動方向與假想振動波傳播方向是垂直的,因此對模型而言相當(dāng)于橫波的作用。根據(jù)動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置的設(shè)計思路,給出了相應(yīng)的試驗過程,主要由兩個部分組成,第一部分是模擬巷道所受超前支承壓力和側(cè)向支承壓力變化的加載過程,通過頂部靜載油缸實現(xiàn);第二部分是模擬巷道受到的由開采導(dǎo)致的頂板斷裂、垮落等因素產(chǎn)生的振動作用過程,通過頂部、底部振動油缸實現(xiàn)。(5)動壓巷道支護(hù)的相似模擬試驗首先介紹了本次相似模擬的研究對象,新峪礦采空區(qū)下典型巷道的常用支護(hù)形式和所處地質(zhì)條件,通過相似理論的計算,確定了本次相似模擬的有關(guān)相似常數(shù)。在此基礎(chǔ)上,計算了模型材料和模型支護(hù)構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)要求,通過配比試驗、抗拉強(qiáng)度試驗等測試,最終選擇了使用過篩的河砂、32.5級普通硅酸鹽水泥和嵌縫石膏制作相似模型,選擇多型號的錫絲模擬不同規(guī)格的錨桿和錨索,并確定了其他支護(hù)構(gòu)件相似模型材料。隨后,介紹了試驗中要進(jìn)行的監(jiān)測內(nèi)容,給出了位移監(jiān)測點、應(yīng)力監(jiān)測點以及超聲波監(jiān)測點的布置方式,同時,介紹了試驗中支護(hù)構(gòu)件的埋設(shè)方法。利用新研制的動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置,開展相似模擬試驗,參照儀器的設(shè)計試驗過程,制定了此次相似模擬試驗的試驗方案。相似模擬試驗主要進(jìn)行了三組,分別針對無支護(hù)巷道、使用常用支護(hù)和優(yōu)化支護(hù)的巷道,分析了巷道在試驗過程中的圍巖變形破壞特征,并從巷道變形、模型表面位移和巷道內(nèi)部應(yīng)力變化的角度對比分析了兩種支護(hù)方式。試驗中發(fā)現(xiàn)常用支護(hù)的巷道幫部支護(hù)明顯不足,幫部支護(hù)出現(xiàn)破壞,巷道圍巖變形較大,而優(yōu)化方案在加強(qiáng)幫部支護(hù)強(qiáng)度后,幫錨索的作用突顯,巷道變形顯著下降,圍巖應(yīng)力分布更加合理,支護(hù)效果理想。針對振動荷載進(jìn)行了專門的試驗研究,發(fā)現(xiàn)不論是1次振動荷載還是2次振動荷載,對巷道產(chǎn)生的影響并不能從宏觀上憑肉眼分辨。利用超聲波測試技術(shù)對巷道進(jìn)行檢測,得到了聲波在巷道圍巖內(nèi)的波速和波形,分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)振動會使得巷道圍巖內(nèi)的聲波波速不同程度的降低,巷道頂板受到的影響遠(yuǎn)大于巷道幫部圍巖,波形的分析結(jié)果也得到了同樣的結(jié)論。最后,分析了振動荷載作用效果的發(fā)生機(jī)理。
【關(guān)鍵詞】：采空區(qū)下近距離巷道 巷道支護(hù) 礦壓特征 數(shù)值模擬 相似模擬實驗
【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】：2016
【分類號】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-16
• 1 引言16-30
• 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-27
• 1.1.1 采動效應(yīng)研究現(xiàn)狀17-21
• 1.1.2 動壓巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究現(xiàn)狀21-22
• 1.1.3 動壓巷道圍巖變形機(jī)理與支護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀22-24
• 1.1.4 動壓巷道相似模型試驗研究現(xiàn)狀24-27
• 1.2 研究內(nèi)容與技術(shù)路線27-30
• 1.2.1 研究內(nèi)容27-28
• 1.2.2 技術(shù)路線28-30
• 2 新峪礦采空區(qū)下近距離巷道礦壓監(jiān)測30-42
• 2.1 工程概況30
• 2.2 礦壓監(jiān)測30-40
• 2.2.1 測點的布置及測試方法31-33
• 2.2.2 材料巷圍巖變形監(jiān)測33-38
• 2.2.3 工作面支架工作阻力監(jiān)測38-40
• 2.3 材料巷圍巖變形機(jī)理分析40-41
• 2.4 本章小結(jié)41-42
• 3 新峪礦采空區(qū)下近距離巷道支護(hù)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究42-60
• 3.1 支護(hù)方案設(shè)計42-48
• 3.1.1 常用支護(hù)方案設(shè)計42-43
• 3.1.2 支護(hù)設(shè)計理論計算43-45
• 3.1.3 優(yōu)化方案的設(shè)計45-48
• 3.2 數(shù)值模型分析48-58
• 3.2.1 建立模型48-49
• 3.2.2 現(xiàn)有支護(hù)模擬結(jié)果與分析49-52
• 3.2.3 不同方案圍巖變形對比52-56
• 3.2.4 不同方案圍巖應(yīng)力對比56-57
• 3.2.5 不同方案塑性區(qū)分布對比57-58
• 3.3 本章小結(jié)58-60
• 4 采動的動靜壓效應(yīng)研究60-72
• 4.1 采動的靜壓效應(yīng)60-68
• 4.1.1 超前支承壓力60-64
• 4.1.2 側(cè)向支承壓力64-68
• 4.2 采動的動壓效應(yīng)68-69
• 4.3 本章小結(jié)69-72
• 5 動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置的研制72-84
• 5.1 現(xiàn)有相關(guān)儀器現(xiàn)狀72
• 5.2 動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置的設(shè)計72-79
• 5.2.1 設(shè)計核心思想72-73
• 5.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計73-77
• 5.2.3 制造與安裝77-79
• 5.3 動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗裝置的試驗過程79-82
• 5.4 本章小結(jié)82-84
• 6 動壓巷道支護(hù)相似模擬試驗84-120
• 6.1 研究對象及研究目的84-85
• 6.1.1 研究對象84-85
• 6.1.2 研究目的85
• 6.2 試驗設(shè)計85-97
• 6.2.1 模型相似常數(shù)的確定85-86
• 6.2.2 模型材料的分層86-87
• 6.2.3 模型相似材料的選擇和配比試驗87-88
• 6.2.4 支護(hù)模擬材料的選擇88-90
• 6.2.5 監(jiān)測點的布置90-92
• 6.2.6 支護(hù)構(gòu)件的埋設(shè)方法92-93
• 6.2.7 對比支護(hù)方案93-95
• 6.2.8 試驗過程95-97
• 6.3 試驗結(jié)果與分析97-118
• 6.3.1 無支護(hù)巷道結(jié)果與分析97-99
• 6.3.2 常用支護(hù)巷道結(jié)果與分析99-106
• 6.3.3 優(yōu)化支護(hù)巷道結(jié)果與分析106-114
• 6.3.4 振動荷載的作用分析114-118
• 6.4 本章小結(jié)118-120
• 7 結(jié)論與展望120-126
• 7.1 主要結(jié)論120-123
• 7.2 主要創(chuàng)新點123-124
• 7.3 展望124-126
• 參考文獻(xiàn)126-134
• 致謝134-136
• 作者簡介136

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7 陳賢云;小修補(bǔ)改變大環(huán)境[N];中國礦業(yè)報;2013年

8 通訊員 孫傳報　王印河 本報記者 范寧;“兩化”生產(chǎn)區(qū)保障40年旺盛采掘[N];河北經(jīng)濟(jì)日報;2010年

9 陳景春;草原明珠放異彩 干群攜手鑄輝煌[N];遼源日報;2006年

10 記者 楊沛潔邋實習(xí)生 趙峰濤;科技“妙手”讓四礦煥發(fā)青春[N];平頂山日報;2008年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張斗群;黃巖匯煤礦礦壓顯現(xiàn)多參量監(jiān)測及巷道支護(hù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

2 黃博;采空區(qū)下近距離動壓巷道礦壓特征及支護(hù)模擬研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

3 馬振乾;厚層軟弱頂板巷道災(zāi)變機(jī)理及控制技術(shù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

4 李季;深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理及冒頂控制[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

5 薛華俊;大斷面軟弱煤幫巷道注漿體力學(xué)特性與控制技術(shù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué)(北京);2016年

6 李國富;高溫巖層巷道主動降溫支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[D];太原理工大學(xué);2010年

7 萬世文;深部大跨度巷道失穩(wěn)機(jī)理與圍巖控制技術(shù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2011年

8 樊克恭;巷道圍巖弱結(jié)構(gòu)損傷破壞效應(yīng)與非均稱控制機(jī)理研究[D];山東科技大學(xué);2003年

9 吳海;深部傾斜巖層巷道非均稱變形演化規(guī)律及穩(wěn)定控制[D];中國礦業(yè)大學(xué);2014年

10 徐劍坤;基于機(jī)器視覺的巷道變形實時監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2012年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李玉萍;基于GIS井下避險系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D];河北聯(lián)合大學(xué);2014年

2 曲懋軒;傾斜薄層狀圍巖巷道失穩(wěn)機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

3 石高鵬;深埋煤巷圍巖流變參數(shù)反分析及支護(hù)優(yōu)化研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

4 蔣作函;滲水泥化巷道失穩(wěn)機(jī)理與安全控制對策[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

5 王俊峰;金川三礦采場分段巷道支護(hù)方式改進(jìn)研究[D];西南科技大學(xué);2015年

6 鄧曉謙;基于相似模擬實驗的巷道變形特征及失穩(wěn)危險判別研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

7 陳紅;多次采動漸進(jìn)誘發(fā)軟巖巷道非均稱變形及封閉承載結(jié)構(gòu)再造[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

8 祝金龍;動壓條件下深部礦井孤島體的支護(hù)穩(wěn)定性分析[D];合肥工業(yè)大學(xué);2015年

9 何利輝;軟弱煤巖互層頂板巷道穩(wěn)定機(jī)理及控制[D];中國礦業(yè)大學(xué);2013年

10 張志明;復(fù)用巷道錨注支護(hù)技術(shù)研究[D];河北工程大學(xué);2015年

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本文編號：818372