本文關(guān)鍵詞：云駕嶺礦深部回采巷道圍巖穩(wěn)定性評價及支護技術(shù)研究　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

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【摘要】：由于煤體強度較低,深部回采煤巷一般屬于工程軟巖范疇,巷道開挖后,在工作面回采采動影響下,深部回采煤巷支護難度很大,巷道易出現(xiàn)較大的變形破壞,嚴重情況下會發(fā)生冒頂事故,造成工人傷亡和影響煤礦生產(chǎn)。冀中能源邯鄲礦業(yè)集團云駕嶺煤礦的掘進巷道大部分屬于典型的深部軟巖巷道,深部工作面回采煤巷支護問題尤為突出。本文以云駕嶺礦八采區(qū)12808工作面回采煤巷(深部松散破碎巷道)為研究背景,結(jié)合實際礦井地質(zhì)條件,借助理論分析、工程現(xiàn)場圍巖松動圈觀測、實驗室實驗及現(xiàn)場工業(yè)性試驗等研究方法,對深部回采煤巷圍巖穩(wěn)定性、圍巖松動圈大小、雙殼錨注支護理論、雙殼錨注支護技術(shù)進行系統(tǒng)分析研究,并通過現(xiàn)場檢測和數(shù)值模擬分析原支護方案和雙殼錨注支護方案下回采煤巷的圍巖穩(wěn)定性,初步確定雙殼錨注支護方案中錨桿錨索的支護參數(shù),研究深井軟巖巷道破壞機理及支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和方案決策,并根據(jù)礦壓觀測對方案進行修正和完善,從而能夠達到最佳的支護效果。本論文的主要研究成果如下:1.12808工作面回采煤巷穩(wěn)定性評價為指導(dǎo)現(xiàn)場巷道支護和更合理確定巷道支護參數(shù),需要對12808工作面運輸巷圍巖的穩(wěn)定性進行分類。根據(jù)室內(nèi)試驗測試巖石試件力學(xué)參數(shù)和松動圈現(xiàn)場觀測,分析巷道圍巖的穩(wěn)定性。(1)通過單軸壓縮實驗、三軸壓縮實驗、巴西(劈裂)實驗,測試云駕嶺煤礦12808工作面運輸巷的基本頂、直接頂和直接底等巖石試件的單軸抗壓強度、三軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。結(jié)合云駕嶺煤礦12808工作面運輸巷的圍巖的室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,采用新的模糊聚類分析評價方法對云駕嶺煤礦12808巷道圍巖進行穩(wěn)定性評價,評價結(jié)果為IV類不穩(wěn)定性巷道,為巷道支護方式和支護參數(shù)的初步制定提供了更加科學(xué)的依據(jù)。(2)通過采用聲波法和窺視法對云駕嶺煤礦12808工作面運輸巷的圍巖松動圈的測試,松動圈測試結(jié)果表明:頂板松動圈范圍為1.5~2.2m;左幫松動圈范圍為2.7m~3.5m;右?guī)退蓜尤Ψ秶鸀?.0m~4.2m。巷道四周圍巖的松動圈范圍均大于1.5m,右?guī)退蓜尤Ψ秶_到了4.2m,說明運輸巷圍巖條件較差,巷道穩(wěn)定性很差,也驗證了12808巷道圍巖的模糊聚類分析評估結(jié)果的正確性。(3)結(jié)合松動圈測試結(jié)果和現(xiàn)場分析情況,12808回采煤巷圍巖的破壞原因主要有以下幾個方面:深部軟軟破碎回采煤巷的巖石強度低、巷道斷面不合理、巷道支護強度不足、支護體錨固力不足�？紤]到松動破碎大變形軟巖巷道的松動破壞帶范圍大(3.5m以上),且圍巖裂隙發(fā)育帶范圍更大,這兩部分區(qū)域內(nèi)的巖石強度都較低,變形量大且流變性強,由此產(chǎn)生的圍巖荷載也很大。針對這種大變形軟巖巷道變形破壞特點,論文提出了雙殼錨注支護技術(shù)。采用錨桿注漿增強淺部圍巖體的整體強度,采用錨索注漿強化深部圍巖體的整體強度,從而實現(xiàn)巷道圍巖的深部和淺部的雙層注漿。2.深部松散破碎煤巷雙殼錨注支護機理(1)基于云駕嶺煤礦八采區(qū)12808工作面煤巷工程地質(zhì)條件和圍巖穩(wěn)定性分析結(jié)論,提出深部松散破碎煤巷連續(xù)雙殼錨注和非連續(xù)雙殼錨注概念。然后,分析雙殼錨注支護中圍巖注漿和全長錨固錨桿(索)支護機理。注漿支護機理:改善圍巖剛度和強度;注漿漿液固結(jié)體的骨架作用;注漿加固減小圍巖松動圈;注漿加固防止風化;注漿能夠有效改善錨桿錨索應(yīng)力狀態(tài)。全長錨固錨桿錨索支護機理:全長錨固錨桿可以將巷道周圍內(nèi)的煤巖體與錨桿粘結(jié)成一個較完整的整體,提高巷道煤巖體的抗剪強度和徑向應(yīng)力,從而抑制巷道圍巖變形。(2)深部松散破碎煤巷雙殼錨注支護理論基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)和巖體力學(xué)知識,建立松散破碎煤巷圍巖變形破壞力學(xué)計算模型,在巷道無支護情況下,理論分析巷道圍巖變形破壞情況(包括破碎區(qū)、塑性區(qū)大小及內(nèi)部應(yīng)力分布等),分析圍巖巖石力學(xué)材料參數(shù)、巷道尺寸等因素對巷道圍巖變形破壞的影響,為巷道后期錨桿索和錨注參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。巷道破碎區(qū)半徑R_f=tR_p,巷道塑性區(qū)半徑其中,初始地應(yīng)力值是影響巷道(無錨注支護情況下)圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,其他影響巷道穩(wěn)定的因素包括圍巖內(nèi)巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力、巷道半徑等。很顯然,錨注支護和錨桿錨索支護都會提高巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,有利于大大增加巷道的穩(wěn)定性�；趶椝苄粤W(xué)理論和巷道圍巖的變形破壞力學(xué)計算分析,結(jié)合煤巷錨注工藝技術(shù),建立合理的支護結(jié)構(gòu)理論計算模型,分析注漿和錨桿錨索對巷道支護影響程3.云駕嶺煤礦深部煤巷雙殼錨注支護數(shù)值分析(1)通過數(shù)值模擬分析不同巷道斷面形狀(矩形、梯形、切圓拱形和半圓拱形)對深部松散破碎煤巷的影響,確定最經(jīng)濟合理的巷道斷面形狀。數(shù)值模擬結(jié)果表明:相同地質(zhì)條件和支護強度下,切圓拱形巷道的抗變形能力要遠遠優(yōu)于矩形巷道和梯形巷道。(2)應(yīng)用FLAC3D軟件模擬分析12808回采煤巷在原支護方案和雙殼錨注支護方案下巷道的穩(wěn)定性。根據(jù)錨桿索的長度和支護密度對淺部圍巖殼體和深部圍巖殼體的范圍和強度的影響大小,雙殼錨注支護模擬方案1-6選取錨桿索的具體參數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在原支護方案下,巷道四周收斂變形量較大,且巷道頂?shù)装鍑鷰r變形明顯大于巷道兩幫,巷道圍巖塑性破壞區(qū)域較大,頂板圍巖剪切破壞范圍的最大厚度為5.1m,巷道圍巖主要發(fā)生塑性剪切破壞。巷道內(nèi)大部分錨桿(索)受力超過其自身極限強度。12808回采煤巷在原支護方案的頂板最大位移量、頂板塑性區(qū)厚度、頂板錨索受力極值遠大于回采煤巷在雙殼錨注支護方案1-6下的頂板最大位移量、頂板塑性區(qū)厚度、頂板錨索受力極值。(3)原支護方案和雙殼錨注支護方案巷道圍巖的變形破壞機理分析(1)在原支護方案下,深部大變形軟巖巷道圍巖產(chǎn)生較大范圍的塑性變形和松動破壞,在錨桿錨索支護下,圍巖體內(nèi)部很難形成穩(wěn)固的深部殼體支護結(jié)構(gòu),更難形成高承載力的淺部殼體支護結(jié)構(gòu),巷道最終產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。因此,在原方案支護下,巷道很難保持穩(wěn)定。(2)12808回采煤巷錨注一體化支護方案提高了巷道圍巖尤其錨固范圍內(nèi)圍巖的力學(xué)性能,使全長錨固的錨桿、錨索,使錨桿錨索的支護加固作用更加突出,極大的減小圍巖變形,保證大部分錨桿和錨索有效,維持了巷道長期穩(wěn)定。雙殼錨注支護結(jié)構(gòu)分為淺部殼體錨注支護結(jié)構(gòu)和深部殼體錨注支護結(jié)構(gòu)兩部分。根據(jù)錨桿錨索和注漿在雙殼錨注支護中的作用機理,分析雙殼錨注支護結(jié)構(gòu)范圍大小和支護強度:雙殼錨注支護采用錨注一體化,即使用錨桿錨索鉆孔實現(xiàn)注漿,因此,錨桿錨索長度決定了錨注圍巖的范圍和雙殼的厚度,錨桿錨索長度越大,淺部殼體和深部殼體的厚度越大,圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角越大,即殼體內(nèi)圍巖自身強度都得到了不同程度的提高,因此圍巖自承能力越大;另一方面,錨桿錨索支護密度決定了錨固區(qū)圍巖強度提高程度,即支護密度越大,淺部殼體和深部殼體內(nèi)圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角越大,同時,圍巖徑向的應(yīng)力越大,越有利于巷道的穩(wěn)定。因此,雙殼錨住支護方案1~6中,隨著錨桿(索)支護范圍的增大和支護密度的提高,巷道支護效果肯定會越來越好。4.深部煤巷雙殼錨注支護一體化一次施工技術(shù)研究和應(yīng)用效果評價(1)經(jīng)過不斷研究和改進最終確定錨桿孔內(nèi)下短管+錨索孔內(nèi)下長管的注漿工藝,確定了注漿施工參數(shù)以及一體化一次成巷施工工藝流程。(2)從表面位移觀測數(shù)據(jù)、錨桿索受力狀況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出,根據(jù)雙殼錨注支護理論和數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計的深部軟弱破碎回采煤巷的設(shè)計支護參數(shù)支護效果較好,圍巖穩(wěn)定性較好。(3)通過對多點位移計、鉆孔內(nèi)部變化錄像及對巷表位移的觀察分析:頂板的松軟破碎圈在周圍2m內(nèi),兩幫的松軟破碎圈在周圍3~4m內(nèi)。從目前拉拔試驗情況來看,幫部松散破碎圈范圍應(yīng)該超過錨桿長度,但正常區(qū)域拉拔力可以達到17t,說明目前對錨桿錨固力影響不大。
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【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;TD325

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