發(fā)布時間：2017-09-13 07:23

  本文關(guān)鍵詞：烏東近直立煤層組沖擊地壓及恒阻大變形防沖支護(hù)研究

  更多相關(guān)文章： 近直立煤層 烏東煤礦南區(qū) 沖擊地壓 恒阻大變形錨桿錨索 防沖支護(hù)

【摘要】：沖擊地壓是指圍巖中大量彈性能沿臨空面瞬間釋放的動力學(xué)現(xiàn)象,具有有突然性、不確定性和與巨大破壞性,給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大威脅。沖擊地壓的孕育和發(fā)生,是構(gòu)造和地層特征與采掘工程條件相疊加后,能量聚集和非穩(wěn)態(tài)釋放的結(jié)果,其影響因素主要為地質(zhì)條件和采掘技術(shù)條件,同時具有時空演化特征。近直立煤層組是一種極為特殊的煤層產(chǎn)狀,我國近直立煤層組主要集中于烏魯木齊東北部,其煤層傾角約為87°,典型礦井為烏東煤礦南區(qū)。該地層賦存B3+6和B1+2兩組煤層,采用水平分段開采方式自上而下進(jìn)行開采,開采工藝為綜采放頂煤。在該地質(zhì)和采掘技術(shù)條件下,采深350m時,+500水平B3+6工作面回采巷道發(fā)生多次沖擊地壓現(xiàn)象。因此為了研究其沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理并對其回采巷道進(jìn)行有效防沖支護(hù),本文在進(jìn)行大量現(xiàn)場調(diào)研、實(shí)地測試和資料分析的基礎(chǔ)上,采用理論分析、數(shù)值模擬等方法,對近直立煤層組沖擊地壓發(fā)生的特征和影響因素、煤層開挖后圍巖應(yīng)力和能量分布特征進(jìn)行深入分析,揭示了烏東煤礦南區(qū)近直立煤層組沖擊地壓類型和其能量機(jī)理。論述了沖擊巷道圍巖防沖支護(hù)要求和普通錨桿錨索及U鋼支護(hù)材料對沖擊地壓巷道支護(hù)防護(hù)的不足。對何滿潮院士基于大變形控制理念提出的恒阻大變形錨桿錨索進(jìn)行力學(xué)測試,分別進(jìn)行靜力拉伸和動力沖擊作用下的支護(hù)阻力和變形進(jìn)行測試分析。在前人研究基礎(chǔ)上,總結(jié)了巷道防沖支護(hù)原則,提出以恒阻大變形錨桿錨索為主要支護(hù)材料的防沖支護(hù)形式,并通過理論分析和數(shù)值模擬進(jìn)行驗證。論文各部分研究內(nèi)容具體如下:本文前言論述了近直立煤層礦井烏東煤礦南區(qū)開采所面臨的問題,分析了其沖擊地壓發(fā)生機(jī)理現(xiàn)有研究成果,并說明該問題具有進(jìn)一步研究的必要性。探討了沖擊地壓巷道防沖支護(hù)的困難,并總結(jié)了現(xiàn)有沖擊地壓巷道防沖支護(hù)形式和技術(shù),分析了傳統(tǒng)的支護(hù)形式不能滿足巷道圍巖沖擊大變形的控制的要求,以及現(xiàn)有支護(hù)形式在沖擊動載荷作用下圍巖大變形破壞現(xiàn)象。采用高預(yù)應(yīng)力主動支護(hù)、大變形讓壓和恒阻吸能的沖擊大變形控制理念,提出以恒阻大變形錨桿錨索為主要支護(hù)材料的沖擊大變形控制技術(shù)。闡述了烏東礦區(qū)近直立煤層的分布及其產(chǎn)狀,著重分析了近直立煤層區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造,介紹了烏東煤礦南區(qū)近直立煤層工程地質(zhì)和采掘技術(shù)條件。采用空心包體應(yīng)力解除方法,對該礦進(jìn)行了地應(yīng)力測試,分析了地應(yīng)力分布規(guī)律和對圍巖穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,該區(qū)域地應(yīng)力場屬于σHσhσv型,地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。方向與開采煤層和回采巷道走向夾角約為82°,對回采巷道和中間巖柱體的穩(wěn)定性影響極為不利。對B3+6煤層及其頂?shù)装暹M(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)測試和沖擊傾向性測試分析,結(jié)果表明,B3+6煤層強(qiáng)度較大,其頂?shù)装宸凵皫r為致密堅硬巖石,b3+6煤層及其頂?shù)装宸凵皫r均具有中等沖擊傾向性。通過對烏東煤礦南區(qū)現(xiàn)場三次典型的沖擊地壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行分析,研究其發(fā)生的時間和空間特征,得到了現(xiàn)場沖擊地壓顯現(xiàn)特征;并深入分析了沖擊地壓發(fā)生的影響因素。由數(shù)值模擬分析其圍巖應(yīng)力分布特征可知,應(yīng)力集中主要分布在b6煤層及其頂板交界處開采水平以下30~70m范圍內(nèi),其中最大應(yīng)力集中區(qū)位于開采水平以下50m處,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.9~3.1。分析應(yīng)力集中的主要原因為,350m高的b6煤層堅硬頂板在水平不平衡力和重力作用下向采空區(qū)發(fā)生傾斜變形,對開采水平以下煤巖體形成巨大擠壓作用,形成高應(yīng)力集中區(qū)。同時通過數(shù)值模擬分析可知,在b3+6煤層遺留煤柱區(qū)域,中間巖柱體受不平衡水平應(yīng)力和自重作用下,向b1+2采空區(qū)發(fā)生傾斜變形,在其底部形成彎曲作用,造成b3底板巖層出現(xiàn)垂直拉應(yīng)力現(xiàn)象,在巖柱體另一側(cè)造成較大壓應(yīng)力區(qū)。分析數(shù)值模擬計算結(jié)果和現(xiàn)場沖擊地壓發(fā)生特征及圍巖破壞情況,提出烏東煤礦南區(qū)近直立沖擊地壓的兩種類型,即堅硬頂板高應(yīng)力型沖擊地壓和中間巖柱體力矩型沖擊地壓,并從能量觀點(diǎn)和力學(xué)分析對其加以說明。論述了恒阻大變形錨桿錨索的結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)特點(diǎn)。對恒阻大變形錨桿錨索進(jìn)行靜力拉伸試驗,結(jié)果表明,恒阻大變形錨桿錨索具有忍受較大變形的同時保持恒定支護(hù)阻力的性質(zhì),其支護(hù)阻力與設(shè)計的恒阻值基本一致。靜力拉伸曲線分為增阻、恒阻和阻力降低三個階段。在增阻、恒阻階段其拉伸曲線幾乎為理想彈塑性曲線,因此具備超常力學(xué)性能。采用重錘自由落體作為動力沖擊載荷,對恒阻大變形錨桿錨索進(jìn)行動力學(xué)測試,實(shí)驗結(jié)果表明,在動力沖擊作用下恒阻大變形錨桿錨索,仍能保持穩(wěn)定的工作阻力。在沖擊過程中,通過恒阻器滑移變形并保持恒定的工作阻力,吸收沖擊能量和減弱動力荷載對桿體的沖擊作用,每次沖擊平均阻力與設(shè)計恒阻值基本一致,表明恒阻大變形錨桿錨索具備較強(qiáng)的抗沖擊作用。論述了沖擊地壓的特點(diǎn)和對巷道圍巖的破壞作用,基于此,提出防沖支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)同時具備高支護(hù)強(qiáng)度、變形讓壓、恒定阻力和瞬間吸收沖擊能量的性質(zhì)。由防沖支護(hù)要求和恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)原理出發(fā),從高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)支護(hù)、忍受大變形和吸能防沖三個方面論述了恒阻大變形錨桿錨索防沖作用原理。從沖擊地壓發(fā)生的特點(diǎn)出發(fā),論述了防沖支護(hù)的重要性和必要性,和選擇合適防沖支護(hù)材料的關(guān)鍵性。總結(jié)論述了主要防沖支護(hù)原則:(1)避免沖擊地壓原則;(2)預(yù)先評估;(3)采用大變形吸能主動支護(hù);(4)加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù);(5)加強(qiáng)護(hù)表及整體支護(hù)等。提出采用恒阻大變形錨桿錨索為主要材料進(jìn)行防沖支護(hù)設(shè)計。根據(jù)耦合支護(hù)原理,論述了恒阻大變形支護(hù)自動耦合原理。針對烏東南區(qū)近直立煤層+450水平b3巷道地質(zhì)概況和沖擊地壓顯現(xiàn)特點(diǎn),以其工程地質(zhì)概況進(jìn)行恒阻大變形防沖支護(hù)設(shè)計,提出大斷面預(yù)留量+20t恒阻大變形錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼帶+35t恒阻大變形錨索+底角35t恒阻錨索的耦合支護(hù)形式。根據(jù)能量平衡原理,對恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)動載適應(yīng)性進(jìn)行研究論證,表明以該恒阻大變形錨桿錨索為主要支護(hù)材料的防沖支護(hù)方案能夠有效控制較大礦震震級沖擊地壓的破壞作用。利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行該方案的模擬實(shí)驗研究,在巷道淺部圍巖施加一定能量沖擊載荷,使圍巖位移速度與能量原理驗證中圍巖位移速度大致相當(dāng);通過計算,恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)體的變形量和圍巖變形量均在設(shè)計變形范圍以內(nèi),表明恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)能夠抵御該能量的動載沖擊作用,具有良好的沖擊防護(hù)效果。
【關(guān)鍵詞】：近直立煤層 烏東煤礦南區(qū) 沖擊地壓 恒阻大變形錨桿錨索 防沖支護(hù)
【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】：TD324
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 1 引言15-27
• 1.1 問題的提出15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-23
• 1.2.1 沖擊地壓機(jī)理研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.2 沖擊地壓機(jī)巷道支護(hù)研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3 存在的問題23-24
• 1.3.1 近直立煤層沖擊地壓研究存在的問題23-24
• 1.3.2 沖擊地壓巷道防沖支護(hù)存在的問題24
• 1.4 研究方法及主要研究內(nèi)容24-26
• 1.5 本文創(chuàng)新點(diǎn)26-27
• 2 近直立煤層組地質(zhì)概況及圍巖特性27-43
• 2.1 工程地質(zhì)27-28
• 2.1.1 地理位置及地貌27-28
• 2.2 礦井概況28-30
• 2.2.1 礦井區(qū)域構(gòu)造28
• 2.2.2 開采煤層及頂?shù)装?/span>28-29
• 2.2.3 開采概況29-30
• 2.2.4 上覆采空區(qū)遺留煤柱分布30
• 2.3 烏東南區(qū)近直立地層地應(yīng)力測試30-35
• 2.3.1 測試方法30-31
• 2.3.2 礦區(qū)構(gòu)造特征及地應(yīng)力分析31-32
• 2.3.3 近直立地層地應(yīng)力現(xiàn)場測試32-33
• 2.3.4 測量結(jié)果33
• 2.3.5 地應(yīng)力分布特征及與巷道的關(guān)系33-35
• 2.4 烏東南區(qū)圍巖及煤層物理力學(xué)性質(zhì)35
• 2.5 烏東南區(qū)圍巖及煤層沖擊傾向性研究35-40
• 2.5.1 煤的沖擊傾向性參考標(biāo)準(zhǔn)35-36
• 2.5.2 B3+6 煤層沖擊傾向性測定結(jié)果36-37
• 2.5.3 頂?shù)装迳皫r沖擊傾向性研究37-40
• 2.6 本章小結(jié)40-43
• 3 近直立煤層沖擊地壓誘因及沖擊類型分析43-81
• 3.1 近直立煤層組沖擊地壓特征43-49
• 3.1.1 典型沖擊事件43-46
• 3.1.2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征46-47
• 3.1.3 近直立煤層組主要影響因素47-49
• 3.2 近直立煤層沖擊地壓機(jī)理數(shù)值模擬49-50
• 3.2.1 FLAC3D簡介49
• 3.2.2 研究內(nèi)容49-50
• 3.2.3 研究目的50
• 3.3 數(shù)值模型建立及方案設(shè)計50-52
• 3.3.1 數(shù)值計算模型50-51
• 3.3.2 邊界條件及地層參數(shù)51-52
• 3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析52-68
• 3.4.1 上覆煤體完全采出后圍巖應(yīng)力響應(yīng)及變形分析52-58
• 3.4.2 相鄰煤層存在煤柱情況下圍巖應(yīng)力分布分析58-62
• 3.4.3 本煤層存在煤柱情況下圍巖應(yīng)力分布分析62-68
• 3.5 近直立煤層組沖擊地壓類型及分析68
• 3.6 近直立煤層頂板高應(yīng)力型沖擊地壓能量機(jī)理分析68-75
• 3.6.1 沖擊地壓發(fā)生的最小能量密度69-70
• 3.6.2 煤巖體應(yīng)變能量計算70-73
• 3.6.3 動壓誘發(fā)沖擊地壓分析73-75
• 3.7 近直立地層力矩型沖擊地壓75-78
• 3.7.1 巖柱體受力分析76-77
• 3.7.2 巖柱體彎曲能量分析77-78
• 3.8 本章小結(jié)78-81
• 4 恒阻大變形防沖支護(hù)技術(shù)研究81-105
• 4.1 恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)材料81-83
• 4.1.1 工程大變形問題呼喚新型支護(hù)材料81
• 4.1.2 恒阻大變形錨桿錨索結(jié)構(gòu)組成81-82
• 4.1.3 恒阻大變形錨桿錨索技術(shù)特點(diǎn)82-83
• 4.2 恒阻大變形錨桿錨索靜力學(xué)特性試驗研究83-90
• 4.2.1 實(shí)驗?zāi)康�、方法及設(shè)計83
• 4.2.2 恒阻大變形錨桿實(shí)驗過程及實(shí)驗結(jié)果分析83-88
• 4.2.3 恒阻大變形錨索實(shí)驗結(jié)果分析88-90
• 4.3 恒阻大變形錨桿錨索動力學(xué)特性試驗研究90-96
• 4.3.1 動力實(shí)驗?zāi)康摹⒎椒霸O(shè)計90
• 4.3.2 恒阻大變形錨桿動力實(shí)驗過程及實(shí)驗結(jié)果分析90-94
• 4.3.3 恒阻大變形錨索動力實(shí)驗過程及實(shí)驗結(jié)果分析94-96
• 4.4 恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)防沖原理96-102
• 4.4.1 沖擊地壓對圍巖破壞特征96-97
• 4.4.2 沖擊地壓對圍巖支護(hù)要求97-102
• 4.5 本章小結(jié)102-105
• 5 回采巷道恒阻大變形防沖支護(hù)及數(shù)值模擬研究105-125
• 5.1 沖擊地壓巷道防沖支護(hù)的重要性105-106
• 5.2 防沖支護(hù)設(shè)計原則106-109
• 5.2.1 避免沖擊地壓原則107
• 5.2.2 預(yù)先評估107
• 5.2.3 大變形吸能主動支護(hù)107-108
• 5.2.4 加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)108
• 5.2.5 加強(qiáng)護(hù)表及整體支護(hù)108-109
• 5.3 烏東南區(qū)近直立煤層回采巷道防沖支護(hù)109-113
• 5.3.1 恒阻大變形錨桿錨索自動耦合支護(hù)原理109-110
• 5.3.2 恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)方案110-112
• 5.3.3 恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)動載適應(yīng)性研究112-113
• 5.4 恒阻大變形防沖支護(hù)動力沖擊數(shù)值模擬研究113-122
• 5.4.1 數(shù)值模擬研究內(nèi)容及模型建立114-116
• 5.4.2 模型加載方案116-117
• 5.4.3 沖擊載荷作用下恒阻大變形防沖支護(hù)效果分析117-122
• 5.5 本章小結(jié)122-125
• 6 結(jié)論125-127
• 參考文獻(xiàn)127-135
• 致謝135-137
• 作者簡介137

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李海濤;宋力;周宏偉;姜耀東;王宏偉;;率效應(yīng)影響下煤的沖擊特性評價方法及應(yīng)用[J];煤炭學(xué)報;2015年12期

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3 何滿潮;趙菲;杜帥;鄭茂炯;;不同卸載速率下巖爆破壞特征試驗分析[J];巖土力學(xué);2014年10期

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本文編號：842328