HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

超千米深埋沿空巷道围岩破坏特征及控制技术研究

为解决超千米深埋沿空巷道围岩失稳难题,以平煤股份十一矿具体工程为背景,通过表面位移监测、钻孔窥视、围岩钻孔取芯及拉压剪常规力学试验,分析了典型超千米深埋沿空巷道的围岩损伤破坏规律,提出了以高性能中空钢绞线锚索为基础的厚层预应力全长锚固理论与技术,并通过现场试验对维控效果进行了验证。结果表明:该类巷道围岩属于高应力—节理化复合型软岩,长期维控具有较大挑战。采用厚层预应力全长锚固技术后,巷道顶板及两帮的变形量相比原支护方案降低58.64%、61.65%,巷道掘巷稳定期明显减短,围岩完整性、稳定性及巷道稳定性显著加强,能够满足巷道长期维控的要求。

极松软厚煤层超高巷道顶部高泡材料充填体强度确定

极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和优化支护效果。通过建立超高巷道顶部充填体受力模型,得到了巷道顶部充填体水平及垂直方向的受载强度,确定了顶部充填体所需的强度及变形能;根据不同水灰比、发泡剂含量条件下高泡材料的力学特性,采用数值模拟方法确定了高泡材料的最佳配比,通过工业试验验证了支护效果。研究结果表明,巷道高度为3~6 m时,顶部充填体水平及垂直方向最大受力载荷分别为0.48 MPa和1.37 MPa;巷道高度为6 m时,顶部充填体所需变形能应大于1.17 MPa;将水灰比为3∶1、发泡剂含量为0.03%的充填体充填至巷道顶部,数值模拟及现场的巷道两帮最大位移分别为220 mm和163 mm,满足工作面安全开采要求。研究结果可为类似条件的巷道围岩控制提供借鉴。

大断面软岩硐室底板卸压槽合理深度分析

底板卸压槽的合理深度是开槽卸压治理大断面软岩硐室底鼓的重要参数,其选取不合适将得不到理想的卸压效果。采用非线性数值分析软件FLAC,分析了卸压槽宽度为300 mm、卸压槽深度从400 mm增加至1 000 mm时围岩应力、位移矢量及塑性区的分布特征。模拟分析结果和现场实践表明,当卸压槽宽度为300 mm、深度为900 mm时能取得较好的效果。

基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究

煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的1 m级间距布置。通过室内标定试验掌握了传感器光缆的测试性能,测试结果表明:研制的应变传感光缆应变量程不低于0.04,灵敏度为1.23 pm/με,精度等级为0.5,属于高精度传感器并具有良好的重复性和线性度。依托平煤股份四矿深部岩石巷道开展了现场工业性试验,试验结果表明:巷道围岩应变随孔深增加而减小,4 m范围内围岩应变数值较大,7 m外应变数值较小且渐趋稳定;巷道围岩应变激增主要发生在前30 d内,随后巷道围岩应变增加量逐渐减小并趋于稳定;取应变速率迅速向0收敛位置作为围岩松动区边界,确定巷道帮部和顶部松动区边界为5 m,肩部松动区边界为4 m。该应变光缆通过弱光纤光栅技术与时分复用技术的综合应用,极大地提高了光纤传感网络的复用容量,满足了煤矿深部巷道围岩变形监测的大量程、精细化在线监测需求。通过技术应用,可及时掌握煤矿深部巷道围岩内部变形特征及松动圈时空演化规律,为深部巷道围岩稳定控制决策提供科学基础数据。

基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明:在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。

柳泉煤矿高应力软岩巷道支护参数优化与工程实践

为解决柳泉煤矿高应力软岩巷道支护的技术难题,以该矿-700m轨道下山为研究对象,结合理论分析、工程类比、现场实测等方法,对原支护方案进行了优化设计,主要包括:锚杆直径增大为20mm,间排距变为700mm,增设了"三花"式布置的锚索支护,从而提高了支护强度。工程实践表明,围岩控制效果显著,巷道两帮及顶板下沉量均减少20%以上,取得了良好的技术经济效果,为条件类似的巷道锚杆支护提供了依据。

平顶山矿区深部大规模松软围岩巷道支护技术

针对平顶山矿区深部大规模松软围岩稳定性控制问题,以典型大规模松软围岩巷道为研究对象,研究确定其围岩的赋存条件,采用离散元方法模拟巷道围岩的变形破坏过程,揭示其破坏机制,提出相应的支护对策,结合深部巷道围岩稳定性控制理论拟定支护的总体思路,确定具体支护方案,研发围岩巷道的抗折抗裂喷层技术及深部巷道底臌治理技术。研究结果表明:围岩承受的高地应力与其自身低强度之间的矛盾是造成深部大规模松软围岩巷道失稳的主要原因;巷道首先在拱顶、底板中央区及两侧边墙受张拉破坏,拱肩及两侧底角受剪破坏,破坏区范围逐渐向深部扩展直至失稳。现场实测数据表明:在方案实施2个月后,锚杆、锚索受力在较高值趋于恒定,充分发挥了支护作用;水平收敛、拱顶下沉和底板臌起趋于稳定,大规模松软巷道围岩稳定性得到有效控制。

支持向量回归算法在地应力场反演中的应用

地应力场是煤矿深部巷道开挖支护设计的基础数据。针对煤矿深部地层地应力实测值有较大随机误差的特点,提出基于支持向量回归(SVR)优化算法的地应力场反演方法。该方法以特征向量结构风险最小化为原则,将经验风险和置信范围最小化,减小实测地应力随机误差对参数反演的干扰。基于平煤一矿地质及地应力实测资料,建立三维有限元计算模型,引入侧压力系数,使用均匀设计表试验设计方法构造应力边界条件。根据计算分析结果建立学习样本,进而通过支持向量回归算法对边界条件参数进行优化,确定最佳应力边界条件,施加到模型上计算分析得到整个模型的地应力场。地应力测点反演值与实测值对比分析结果表明,反演值与实测值误差在合理范围,反演值比实测值随机性更小;反演地应力场分布规律与平顶山矿区地应力场分布规律一致;反演结果准确可靠。

定向爆破技术在沿空留巷中的应用

为解决平煤二矿煤层顶板坚硬而导致回采巷道围岩较难控制的问题,采用D型聚能管定向断裂爆破技术,通过理论分析定向断裂爆破技术原理、现场试验、钻孔窥视等手段,研究了D型聚能管定向断裂爆破技术对控制沿空留巷围岩变形中的积极作用,确定了平煤二矿沿空留巷中合理的爆破、装药等工艺参数,并进行了现场工业性试验。结果表明:采用D型聚能管定向断裂爆破技术可以达到定向爆破的目的,切顶预裂成缝效果良好,能够有效切断沿空留巷中的基本顶,提高巷道自身的承载力,保障动压影响期间留巷围岩稳定,提高沿空留巷支护的可靠性和安全程度,有利于安全生产,对于同类条件下矿井聚能预裂爆破参数的选择有一定的工程参考价值。

基于蒙特卡洛算法的裂隙岩体注浆扩散模拟

裂隙岩体注浆扩散过程关系到注浆加固效果以及岩体稳定性评价,研究旨在提出一个反映裂隙场对注浆扩散影响规律的数值模型。基于平煤股份八矿钻孔窥视和工程地质资料,分析裂隙场统计分布规律。采用有限元计算软件COMSOL对不同裂隙长度、裂隙间距和裂隙开度情况下的注浆进行建模计算分析,通过蒙特卡洛随机算法重构二维随机裂隙场,建立随机裂隙岩体注浆数值分析模型,对巷道裂隙围岩注浆迁移扩散过程以及胶结加固进行模拟分析。模拟结果表明,浆液的扩散距离随时间的增大而增大。但裂隙网络的非均质性对浆液的扩散速率和范围变化有决定性影响,并使得浆液在5~8 m范围内形成注浆加固区域,有效改善了围岩稳定性,这与深部破碎围岩注浆加固实际情况基本一致。因此,新模型不仅可以很好的重构围岩裂隙分布特征,还可以更真实的反映裂隙场对注浆加固影响。

大断面硬岩巷道聚能爆破快速掘进技术应用

针对平煤四矿岩巷断面大、岩石硬、应力高的特点及掘进中爆破效率和进尺低、超欠挖严重等问题,采用聚能爆破快速掘进技术,在掘进爆破作业中采用聚能装置,并设计了聚能爆破作业方案,现场聚能爆破工业性试验结果表明,该方案与原方案相比,可提高掘进进尺15%、降低巷道围岩超欠挖量50%、节约成本20%,能获得良好的技术经济效果。

深部软弱围岩流变应力恢复法地应力测量技术及应用

简述了深部软弱围岩流变应力恢复法(RSR法)地应力测试的原理、测试仪器及测试过程,并给出了该方法在平煤一矿测点约877m处的三维地应力状态实测数据。测量结果显示:三个主应力中,最大主应力和最小主应力近于水平,中间主应力近于垂直,属于水平构造应力场类型;最大主应力方向近于NW—SE方向,与平顶山地区近期的构造运动历史相一致。该方法测得的结果与应力解除法的测量结果相吻合;实测表明流变应力恢复法具有较大的使用价值,特别在深部软弱破碎的复杂地质条件下,在传统地应力测试方法难以实施时,该方法仍能顺利实现,适应性较强。

大断面回采巷道锚网支护分析及应用

针对寺河煤矿大断面回采巷道具体地质条件,结合现场实践经验,提出了锚杆、锚网和锚索补强的联合支护方案,采用有限差分数值计算软件FLAC5.0进行了支护参数的多方案模拟,模拟结果表明:锚杆长度2 400 mm,间距1.0 m,2根锚索补强的支护方案是经济合理的。现场实践也表明支护参数选取合理,支护效果较好,可为类似条件下的应用提供参考。

流变岩体中六向压应力传感器的应力恢复规律

流变应力恢复法是针对煤矿深部流变岩体而提出的1种地应力测量方法,该方法采用在巷道围岩中钻孔埋设压应力传感器的方式来实现对围岩原岩应力和扰动应力的测量,掌握流变岩体中传感器实测应力的恢复规律是流变应力恢复法地应力测量的关键问题之一。基于流变应力恢复法测量原理和研发的六向压应力传感器,采用数值方法模拟了基于六向压应力传感器的流变应力恢复法地应力测量过程,研究了不同岩石类型、围岩等级、流变模型以及地应力下六向压应力传感器实测应力的恢复规律。模拟结果表明:围岩流变性越强,传感器应力恢复至最终稳定值所需时间越短,且传感器应力恢复程度越高。

深井回采巷道围岩稳定性模糊聚类及其支护对策

文章结合平顶山矿区具体地质条件,以围岩强度、巷道埋深、支护强度、采动影响系数为分类指标,采用模糊聚类分析法,将调研的埋深800 m以上的20条回采巷道围岩稳定性分为四类,即不稳定巷道、中等稳定巷道、较稳定巷道和稳定巷道;利用Java编程研发出回采巷道围岩分类及锚网支护设计程序,简化了围岩分类的模糊聚类计算过程,同时给出巷道合理的支护对策。

“三高一大”高强锚注支护工艺优化与应用研究

深部软岩巷道围岩本身强度低,自承能力差,具有易风化、遇水膨胀等特性,且应力水平高、来压快,导致巷道开挖后极易松动破碎,变形严重且持续时间长,难以实现巷道长期稳定。高强锚注支护技术采用高强锚注支护材料、高强抗缩性注浆材料、高压注浆模式对大范围围岩进行注浆加固,提高初期支护强度,采用最优化注浆参数和工艺实现浆液的全扩散和强固结,强化支护体系与围岩力学联系,在巷道周围形成不同深度和厚度的组合加固拱结构,提高围岩的整体性和承载能力,有效控制塑性区的发展和变形,保证了巷道长期稳定性。现场工程试验表明,采用高强锚注支护巷道围岩变形较小,帮部和顶部稳定性较好,对确保矿山的安全高效回采具有重要的意义。

深部破碎围岩高预紧力加长锚固支护技术研究

针对深部受采动影响巷道围岩松散破碎难以支护的工程问题,考虑巷道围岩裂隙的存在,采用3DEC中DFN技术预制初始损伤围岩模型进行模拟拉拔试验,研究结果得出:破碎岩体中,端锚锚杆最易发生脱黏失效,且无法通过黏锚力控制浅部围岩,易出现片帮。锚固长度为700 mm时,拉拔载荷为130 kN即发生锚固失效;当锚固长度增加到1400 mm时,锚固性能显著增强,且锚杆抗拔力提高了20.7%。当增加锚杆预紧力时,对巷道周边破碎围岩的控制效果显著增强。基于上述研究,提出深部破碎围岩锚杆高预紧力加长锚固支护技术,经工业性试验,高预紧力加长锚固技术使巷道变形得到有效控制,锚杆预紧力可达到60 kN以上,回采期间巷道帮部相对移近量减小了44.7%,显著减小了超前支护难度,提高了施工效率。

深部巷道高强全锚注一体化技术研究与应用

针对深部高应力软岩巷道受高构造应力挤压产生大变形失稳的难题,提出了高强全锚注全方位、大范围、深层次注浆加固围岩,实现高强中空锚杆(索)由端锚向全锚转化,同时固结围岩、提质增强,提高了围岩与支护结构体的耦合自承能力;平煤一矿三水平下延戊一上山采区回风上山试验段采用高强锚注材料、高性能中空锚杆(索)、高压注浆对围岩进行大范围、深层次锚注,并通过巷道表面位移、深部离层变形、破裂情况窥视等综合方法确定了高强锚注合理时机,实测两帮变形量小于10mm,顶板测点平均下沉变形量200mm左右,经简单修复即可实现巷道的长期稳定。

深部原岩应力测量及其对巷道稳定性影响分析

平煤一矿北三风井埋深超过1000m,受岩石强度低,持续高水平应力作用影响,巷道变形严重,支护难度大,成巷效果极差。开展地应力测量工作,分析巷道所处地应力场的特点和规律,为巷道支护设计、矿井与采区布置提供科学依据。