本文關(guān)鍵詞：云駕嶺礦深部回采巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)技術(shù)研究　出處：《中國(guó)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(qiáng)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(dòng)影響下,深部回采煤巷支護(hù)難度很大,巷道易出現(xiàn)較大的變形破壞,嚴(yán)重情況下會(huì)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(tuán)云駕嶺煤礦的掘進(jìn)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(hù)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(shí)際礦井地質(zhì)條件,借助理論分析、工程現(xiàn)場(chǎng)圍巖松動(dòng)圈觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)等研究方法,對(duì)深部回采煤巷圍巖穩(wěn)定性、圍巖松動(dòng)圈大小、雙殼錨注支護(hù)理論、雙殼錨注支護(hù)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析研究,并通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和數(shù)值模擬分析原支護(hù)方案和雙殼錨注支護(hù)方案下回采煤巷的圍巖穩(wěn)定性,初步確定雙殼錨注支護(hù)方案中錨桿錨索的支護(hù)參數(shù),研究深井軟巖巷道破壞機(jī)理及支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和方案決策,并根據(jù)礦壓觀測(cè)對(duì)方案進(jìn)行修正和完善,從而能夠達(dá)到最佳的支護(hù)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(píng)價(jià)為指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)和更合理確定巷道支護(hù)參數(shù),需要對(duì)12808工作面運(yùn)輸巷圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分類。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試巖石試件力學(xué)參數(shù)和松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),分析巷道圍巖的穩(wěn)定性。(1)通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、巴西(劈裂)實(shí)驗(yàn),測(cè)試云駕嶺煤礦12808工作面運(yùn)輸巷的基本頂、直接頂和直接底等巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)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(yùn)輸巷的圍巖的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,采用新的模糊聚類分析評(píng)價(jià)方法對(duì)云駕嶺煤礦12808巷道圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果為IV類不穩(wěn)定性巷道,為巷道支護(hù)方式和支護(hù)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(duì)云駕嶺煤礦12808工作面運(yùn)輸巷的圍巖松動(dòng)圈的測(cè)試,松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果表明:頂板松動(dòng)圈范圍為1.5~2.2m;左幫松動(dòng)圈范圍為2.7m~3.5m;右?guī)退蓜?dòng)圈范圍為3.0m~4.2m。巷道四周圍巖的松動(dòng)圈范圍均大于1.5m,右?guī)退蓜?dòng)圈范圍達(dá)到了4.2m,說明運(yùn)輸巷圍巖條件較差,巷道穩(wěn)定性很差,也驗(yàn)證了12808巷道圍巖的模糊聚類分析評(píng)估結(jié)果的正確性。(3)結(jié)合松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)分析情況,12808回采煤巷圍巖的破壞原因主要有以下幾個(gè)方面:深部軟軟破碎回采煤巷的巖石強(qiáng)度低、巷道斷面不合理、巷道支護(hù)強(qiáng)度不足、支護(hù)體錨固力不足�？紤]到松動(dòng)破碎大變形軟巖巷道的松動(dòng)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(qiáng)度都較低,變形量大且流變性強(qiáng),由此產(chǎn)生的圍巖荷載也很大。針對(duì)這種大變形軟巖巷道變形破壞特點(diǎn),論文提出了雙殼錨注支護(hù)技術(shù)。采用錨桿注漿增強(qiáng)淺部圍巖體的整體強(qiáng)度,采用錨索注漿強(qiáng)化深部圍巖體的整體強(qiáng)度,從而實(shí)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(hù)機(jī)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(hù)中圍巖注漿和全長(zhǎng)錨固錨桿(索)支護(hù)機(jī)理。注漿支護(hù)機(jī)理:改善圍巖剛度和強(qiáng)度;注漿漿液固結(jié)體的骨架作用;注漿加固減小圍巖松動(dòng)圈;注漿加固防止風(fēng)化;注漿能夠有效改善錨桿錨索應(yīng)力狀態(tài)。全長(zhǎng)錨固錨桿錨索支護(hù)機(jī)理:全長(zhǎng)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(gè)較完整的整體,提高巷道煤巖體的抗剪強(qiáng)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(hù)理論基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)和巖體力學(xué)知識(shí),建立松散破碎煤巷圍巖變形破壞力學(xué)計(jì)算模型,在巷道無支護(hù)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(duì)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(jì)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(hù)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(hù)和錨桿錨索支護(hù)都會(huì)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。基于彈塑性力學(xué)理論和巷道圍巖的變形破壞力學(xué)計(jì)算分析,結(jié)合煤巷錨注工藝技術(shù),建立合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)理論計(jì)算模型,分析注漿和錨桿錨索對(duì)巷道支護(hù)影響程3.云駕嶺煤礦深部煤巷雙殼錨注支護(hù)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(duì)深部松散破碎煤巷的影響,確定最經(jīng)濟(jì)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(hù)強(qiáng)度下,切圓拱形巷道的抗變形能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hù)方案和雙殼錨注支護(hù)方案下巷道的穩(wěn)定性。根據(jù)錨桿索的長(zhǎng)度和支護(hù)密度對(duì)淺部圍巖殼體和深部圍巖殼體的范圍和強(qiáng)度的影響大小,雙殼錨注支護(hù)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(hù)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(qiáng)度。12808回采煤巷在原支護(hù)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(yuǎn)大于回采煤巷在雙殼錨注支護(hù)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(hù)方案和雙殼錨注支護(hù)方案巷道圍巖的變形破壞機(jī)理分析(1)在原支護(hù)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(dòng)破壞,在錨桿錨索支護(hù)下,圍巖體內(nèi)部很難形成穩(wěn)固的深部殼體支護(hù)結(jié)構(gòu),更難形成高承載力的淺部殼體支護(hù)結(jié)構(gòu),巷道最終產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。因此,在原方案支護(hù)下,巷道很難保持穩(wěn)定。(2)12808回采煤巷錨注一體化支護(hù)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(zhǎng)錨固的錨桿、錨索,使錨桿錨索的支護(hù)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(zhǎng)期穩(wěn)定。雙殼錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)分為淺部殼體錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)和深部殼體錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分。根據(jù)錨桿錨索和注漿在雙殼錨注支護(hù)中的作用機(jī)理,分析雙殼錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)范圍大小和支護(hù)強(qiáng)度:雙殼錨注支護(hù)采用錨注一體化,即使用錨桿錨索鉆孔實(shí)現(xiàn)注漿,因此,錨桿錨索長(zhǎng)度決定了錨注圍巖的范圍和雙殼的厚度,錨桿錨索長(zhǎng)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(qiáng)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(hù)密度決定了錨固區(qū)圍巖強(qiáng)度提高程度,即支護(hù)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(shí),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(hù)方案1~6中,隨著錨桿(索)支護(hù)范圍的增大和支護(hù)密度的提高,巷道支護(hù)效果肯定會(huì)越來越好。4.深部煤巷雙殼錨注支護(hù)一體化一次施工技術(shù)研究和應(yīng)用效果評(píng)價(jià)(1)經(jīng)過不斷研究和改進(jìn)最終確定錨桿孔內(nèi)下短管+錨索孔內(nèi)下長(zhǎng)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(cè)數(shù)據(jù)、錨桿索受力狀況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,根據(jù)雙殼錨注支護(hù)理論和數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)的深部軟弱破碎回采煤巷的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)支護(hù)效果較好,圍巖穩(wěn)定性較好。(3)通過對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)、鉆孔內(nèi)部變化錄像及對(duì)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(yàn)情況來看,幫部松散破碎圈范圍應(yīng)該超過錨桿長(zhǎng)度,但正常區(qū)域拉拔力可以達(dá)到17t,說明目前對(duì)錨桿錨固力影響不大。
[Abstract]:......
【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】：2017
【分類號(hào)】：TD353;TD325

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