多煤层重复采动回采巷道失稳机理与控制技术

戊9-10-22290工作面为平煤六矿三水平二采区的孤岛工作面,风巷外段在采掘服务期间将会受到上覆戊8及下伏五矿己组回采影响,采掘时空关系异常复杂。目的为探讨多煤层重复采动回采巷道失稳机理与控制技术,方法基于采掘工作面应力时-空演化关系,提出平煤六矿戊9-10-22290工作面风巷外段全生命周期内的围岩控制方法,并进行现场工程应用。结果结果表明:上覆近距离煤层开采后,巷道顶板出现拉剪破坏;本煤层和下伏煤层回采过程中,巷道将逐段受到超前支承压力作用;根据巷道围岩所处的扰动时-空过程和高应力环境,提出“高预应力高强锚杆+锚索+深孔爆破卸压”的抗压-让压-卸压相结合的综合围岩控制技术。现场工业性试验表明,巷道服务期间两帮最大变形量为347 mm,顶板下沉和底板鼓起均在可控范围内,能够满足矿井安全生产需求,取得较好的技术和经济效益,结论研究结果可为类似条件下的回采巷道围岩控制提供参考。

河流下综放工作面覆岩破坏特征和陷落柱防水煤柱留设研究

目的长平矿Ⅲ2317工作面在开切巷处揭露陷落柱,地表丹河流向与工作面推进方向一致,受采动影响,陷落柱内部水体及河水可能通过开采裂隙导入回采空间,从而造成工作面突水。针对以上问题,方法本文采用理论分析、数值模拟和现场观测等方法,对回采工作面覆岩“两带”高度、覆岩破坏特征和陷落柱煤柱留设宽度进行研究。结果结果表明:工作面顶板垮落带与导水裂隙带最大发育高度分别为18.38,93.85 m,河水对工作面不构成突水威胁;无煤柱开采时,陷落柱一侧顶板裂隙沿陷落柱胶结面向上高度发育;结合理论计算和数值模拟分析,确定煤柱宽度为35 m。工作面在留设35 m煤柱条件下安全完成回采,地表变形特征符合预期,最大下沉量达到4000 mm,回采过程中工作面未发生突水事故。结论研究结果可为类似条件下的煤层安全开采提供理论和经验支撑。

松软厚煤层超高巷道围岩失稳因素分析与控制技术

安阳主焦煤矿2301综放工作面回风巷沿煤层顶板布置,但在回采过程中,存在上端头三角煤损失和巷道底板煤层无法回收问题。为此,提出了回风巷超前底煤回收工艺,但面临着超前超高回采巷道围岩控制问题。支承压力高、煤体软弱、巷道超高和超前架反复支撑等因素导致超高巷道变形严重;结合回收底煤工艺和巷道变形破坏特征,提出了主被动联合支护、强化巷帮支护的控制策略和强力锚网索+超前超高液压支架联合支护方法。采用离散元数值模拟方法,分析了不同支承压力下巷道围岩塑性区、位移和应力场分布特征,验证了支护方案的合理性。现场工业性试验表明,补打锚杆、强化超前支架护帮等措施,能够有效控制巷道片帮现象。采用超高巷道围岩控制方法可多回收煤炭资源2.44万t,直接经济效益2.19亿元,具有较强的技术经济前景。

松软破碎厚顶煤大跨度切眼变形破坏特征与控制技术

安阳主焦煤矿大断面切眼常采用被动支架沿顶布置,围岩变形量大、易漏冒,工人劳动强度大。针对上述问题,采用数值模拟方法研究了裂隙发育、位移和应力分布与切眼跨度之间的关系,提出了围岩控制策略和支护方案。结果表明,随着切眼跨度的增大,围岩塑性区范围逐渐增加,顶板以剪切滑移或拉剪破坏为主,两帮以泊松效应膨胀拉伸—剪切破坏为主;顶板下沉量、巷帮内挤和底鼓量均逐渐增大;顶煤、直接顶和基本顶部分岩层逐层渐次移动,顶板部分区域出现较大的裂隙,冒落拱以上深部顶板发生整体移动;巷道顶底板中有害拉伸应力区域范围呈现拱形分布,且逐渐增大。根据切眼围岩变形破坏特征,提出了高强度、高刚度、高预紧力的强力支护和被动单体液压支柱补强的主被动联合支护方法。现场工业性试验表明,切眼围岩得到了有效控制,可为类似裂隙发育托顶煤大断面切眼围岩控制提供参考。

冲击地压下巷道围岩失稳机制与控制技术研究综述

为探明冲击地压下巷道围岩控制研究方向,以冲击地压下巷道围岩失稳机制与控制技术为研究对象,调研2000年以来该领域的主要研究内容及研究方法等热点问题,梳理冲击地压发生机理、锚固支护失稳机制、巷道围岩控制机理及技术3方面的研究成果;总结其要点与不足,并提出冲击地压下巷道围岩失稳机理的研究重点和手段。冲击地压下巷道围岩失稳机制、低频强扰动下的锚固体失稳机理、支护-卸压相互协调关系、经济可靠的吸能让压材料、锚-棚耦合传力机制及调控机理是今后冲击地压下巷道围岩控制的研究重点;研究手段方面,应开发能够同时施加静载和低频强冲击下的大比例相似模拟试验台,开发能够嵌入数值模拟商业软件的岩石动态本构关系模型。

深井大断面动压回采巷道锚网支护技术研究

随着开采强度的加大,平煤股份所属的主力矿井多数已进入800m以上的深部开采,巷道处于高应力环境中,中等强度锚网支护的回采巷道变形量大,稳定所需时间长,返修率高。结合平煤股份十一矿丁5-6-26071风巷的工程地质条件,采用数值模拟技术研究了高强锚杆锚索协调支护巷道在不同动压作用下的矿压显现特征:掘巷阶段,支护方式完全能够满足要求;在受到超前支承压力的初期阶段,仍然能够满足需要;但在超前支承压力的峰值阶段,锚杆锚索滑脱,底臌严重,两帮内挤,需要采取加强支护措施。工业性试验表明:掘巷阶段巷道表面位移、深部位移及支护受力均在合理的范围之内,巷道断面收缩率为最大为12.4%,满足使用要求。

微型土压力盒的标定及修正

微型土压力盒的载荷系数K值与工作介质有很大关系,为研究其在不同介质中的工作特性,室内试验研究了散体材料、粉体材料和相似材料在砝码加载情况下的载荷系数。分析了厂家给定值和标定值的差异及产生原因,指出砂标K值偏差比厂家给定值小50%左右,试验时需要对给定值进行修正;粉体和相似材料的标定值与给定值相差不大,可以直接采用厂家所给数据。

锚杆预紧力对锚固体强度强化的模拟实验研究

锚杆预紧力在巷道支护中发挥着重要作用,但其对锚固体强度强化特征的研究仍存在不少问题;以砂蜡材料、预紧力锚杆和平面应变约束装置制作锚固分离体,在RMT-150C实验机上对其力学特性进行了研究。实验结果表明:锚固体的峰值强度、残余强度的强化系数和岩体强度、锚杆预紧力呈正相关,岩体强度一定时,随着锚杆预紧力的增大,强化系数逐渐增加,锚杆预紧力对锚固体峰后残余强度的强化大于对锚固体峰值强度的强化。锚固体的应变-应力全程曲线与锚杆受力存在着对应关系,锚固体屈服之前,锚杆受力增加缓慢;屈服点之后,受力急剧增加;峰后软化阶段锚杆受力逐渐增加,摩擦阶段锚杆受力处在不断的调整下降中。预紧力一定时,岩体强度越高,锚杆受力增加幅度越小;岩体强度一定时,高预紧力锚杆受力增幅较小;软弱岩层破坏后,锚杆载荷的损失比坚硬岩层大,预紧力锚杆对软弱岩层的作用比坚硬岩层明显。现场实践表明,提高锚杆预紧力能够有效控制围岩的变形。

预紧力锚杆作用下锚固体的形成与失稳模式

高强锚固系统在深部及复杂软弱巷道围岩控制中得到越来越广泛的应用,但对该条件下的锚固体形成和失稳的认识仍不充分。笔者采用数值模拟方法研究了预紧力锚杆作用下锚固体的形成因素及原岩应力作用下锚固体的失稳规律。结果表明:预紧力一定时,锚杆间距越小,附加应力就越大;锚杆间排距一定时,预紧力越大,附加应力就越大,附加应力在锚固体范围岩体中呈纺锤形,压力从巷道表面处逐渐衰减,在锚固起始端呈锥形分布;锚固段越短或预紧力越大,压缩区域就越大,锚固体的范围就越大,但锚固段长度对锚固体的影响较为明显。原岩应力环境中,巷道围岩锚固体失稳类型有锚杆断裂型、锚固脱黏型、岩体主导破坏型和锚固体复合型破坏型;岩体强度、锚杆预紧力、原岩应力侧压系数、埋深、锚杆间排距等对锚固体失稳的作用依次减小。

返修大断面硐室加固及数值模拟研究

在分析硐室围岩岩性、软弱围岩流变、复杂应力环境及原支护结构失稳的基础上,结合软岩巷道围岩控制理论,提出了以全长锚固锚杆、锚索增强围岩整体性和自承载能力的主动支护,并以底板锚注加底拱返修加固.采用FLAC3D软件对原支护方案和返修加固方案进行了数值模拟,结果表明：修复加固后,最大主应力峰值外移,塑性区范围减小,围岩承载能力增强,两帮移近量41.4 mm,顶板移近量22.1 mm,底鼓量6.45 mm,支护受力合理.现场工业试验表明：经过50~90 d的矿压观测,硐室变形量小于20 mm,变形速率小于0.5 mm/d,修复加固取得了成功.

滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟

结合郜城煤矿13191回采工作面的地质条件，建立滑动构造作用下及正常情况下的回采工作面数值计算模型，比较研究了回采过程中的支承压力、垂直位移等矿压规律。计算结果表明：滑动构造作用下，工作面超前支承压力峰值所在位置比无构造时远得多，但应力集中系数较低，工作面前方的煤岩体破坏范围大；随着工作面的推进，采空区顶板下沉量和工作面前方顶板中的反弹值逐渐增大，反弹峰值距煤壁的距离为4～6m，和周期来压步距基本一致。最后，提出了滑动构造条件下回采工作面安全开采的管理技术措施。

连续断裂区域巷道失稳机理及控制技术研究

为了研究方庄一矿-400 m大巷在穿越断层破碎带时,围岩松动范围大、控制难度大的问题,采用现场调查、数值模拟和现场工业试验等方法,对该矿地质构造背景、断裂形式、断裂周围应力场和位移场分布形式进行了分析,认为-400 m大巷围岩失稳是连续断裂构造区破碎围岩、复杂应力环境、支护方式、采动影响等共同作用的结果;采用数值模拟分析了巷道穿越连续断层时,其围岩应力、位移和塑性区的分布规律;在围岩松动破坏范围测试的基础上,提出了锚网索联合支护配合U型钢封闭支架及围岩注浆加固的主被动联合支护技术。工业性试验表明,在观测的180天内,两帮最大移近量70 mm,顶底板39 mm,与未采取联合支护的同类型巷道相比,位移减少了450 mm左右,整体加固效果良好。

回采工作面片帮机理及超前预注化学浆体锚杆控制技术

煤壁片帮是综采工作面常见而又不能有效解决的问题.依据极限平衡理论,建立了煤壁片帮的物理力学模型,推导出了回采工作面煤壁片帮的宽度及护帮板对煤壁支护力的表达式,分析了煤壁片帮的影响因素.根据现场调研和分析,可将煤壁片帮机理分为拉伸式、剪切式和复合式3种类型.片帮受竖向裂隙及煤层结构控制.为了加固煤壁且保证工作面正常推进,提出了在工作面上下巷灌注化学浆体材料,超前回采工作面对煤壁进行化学浆体锚杆加固的方法.现场实践表明,化学浆体锚杆能够强化煤壁,有效降低其破碎区及塑性区的宽度,显著减小煤壁片帮几率及规模;化学浆体锚杆具有易切割、易分选、无污染的特点,具有良好的物理力学性能,对工作面的正常生产无干扰,取得了较好的技术经济效益.

软岩巷道锚固体蠕变特性研究

锚固体蠕变特性是锚杆在软岩巷道中有效应用的关键,本文采用相似材料模拟试验对软岩锚固体的蠕变特性进行了研究,用石蜡、砂和凡士林模拟软岩,保险丝模拟锚杆,石膏模拟锚固剂,采用分级加载方式.根据试验结果得到软岩锚固体在不同应力水平下的蠕变规律及其经验公式.软岩锚固体的蠕变特性采用Burgers模型进行描述,推演出不同应力水平下的锚固体蠕变本构方程.根据蠕变经验公式,对锚杆支护软岩巷道的粘弹塑性分析表明,在1.1倍的应力水平时,巷道合理的支护时间为1 000 m in<t<1 500 m in.

深井巷道围岩应力场、应变场和温度场耦合作用研究

建立了耦合条件下岩体的应力-应变关系,推导出不同变温范围条件下巷道围岩的应力和应变.实例计算表明:巷道围岩在耦合情况下比非耦合情况下的切向应力、周边位移、破碎区和塑性区半径都有较大的增加,并提出了提高耦合条件下改善巷道围岩体稳定性的措施.

不同拉拔速率作用下锚固体力学响应试验研究

为了研究动态拉拔作用下锚固体的力学响应规律,采用自制的锚固体装置和万能试验机,研究了锚固体在不同拉拔速率下的响应特征。结果表明:随着拉拔速率增大,峰值位移逐渐增加,所对应的峰值拉拔逐渐增大,但增加幅度随加载速率增加而趋缓;拉拔速率一定时,锚固段逐渐向里脱黏破坏,孔壁的粗糙度对峰后的残余黏结力有较大的影响。声发射监测结果表明:声发射次数和能量在接近峰值时开始急剧增加,高振铃次数及高能量事件仅仅在峰值附近出现,峰后流动阶段各试件声发射现象基本一致;破裂次数随着拉拔速率的增加而增大,破裂事件大都从基体上端开始,然后中间、底部交替出现;随着加载速率的增加,破裂事件逐渐向基体底部过渡。针对冲击动载条件下的锚固支护巷道,提出了采用加长锚固、增加孔壁粗糙度和提高锚固剂的密实度等措施。

深部回采巷道支护参数的正交数值模拟

平顶山矿区深部主采煤层回采巷道矿压显现强烈,普通锚网支护难以适应深部开采的要求,高强度、高刚度、高预紧力的强力支护是控制深部围岩变形的有效途径.采用正交数值方法对平顶山矿区主采煤层回采巷道的支护参数进行了模拟分析,确定了影响围岩变形主次因素.应用多元回归分析法,拟合了巷道断面收敛系数与综合岩体强度、顶板锚索根数、锚杆预紧力、垂直应力和动载系数的关系式,对平煤股份十一矿高强锚网索支护的丁5-6-26071风巷断面收敛变形进行了预测,与现场矿压测试结果基本吻合.

基于连续梁的薄层复合顶板锚杆受力分析

为研究煤矿薄层复合顶板锚网支护条件下锚杆受力问题,采用理论分析、数值模拟和现场观测方法,利用巷道顶板锚固岩层的三铰拱结构和锚杆连续梁力学分析模型,对锚杆受力和托顶煤回采巷道稳定性进行研究。结果表明:锚杆内的拉应力、剪应力和挠度均发生在顶板最下部的软岩段,深部挠度较小;弯曲变形引起的应力大于轴向直接拉伸引起的应力,弯曲变形量大于轴向拉伸变形量;除整体下沉外,巷道顶板锚固体内部不均匀断裂变形会给锚杆施加较大的弯曲载荷;选取刚度较大锚杆、强力护表构件和强力锚索,能够减小三铰拱结构的断裂角和下沉量。针对鹤煤公司九矿3204孤岛工作面托顶煤回采巷道,采用高强锚杆、加密锚索主动耦合支护,配合双层塑编网护表防漏冒,局部地段采用单体液压支柱加强支护方法,有效控制薄层复合锚固顶板的下沉,减轻锚杆(索)的弯曲变形和破断,围岩得到了有效控制。

美国肯塔基大学采矿工程专业课程分析及启示

在分析美国肯塔基大学采矿工程专业《露天开采设计和环境保护》课程的基础上,认为其课堂教学具有老师备课充分、信息丰富、学生课后作业贴合工程实际特点,达到了学生学得会、用得上的目的。针对河南理工大学采矿工程《矿山压力与岩层控制》课程,提出了发挥学生自主能动性,强化课后作业及设置课程设计的建议。

加锚裂隙岩层损伤机理及围岩控制现状及展望

以突出煤层瓦斯抽采为背景,介绍了回采巷道尤其是底板巷围岩受到的多重扰动过程,梳理了回采巷道裂隙围岩损伤机理及稳控方法。介绍了抽采钻孔裂隙扩展规律、煤层卸压裂隙分布特征;总结了加锚层状裂隙岩层裂隙扩展规律、滑移面失稳机制和锚杆作用机制方面的研究进展;探讨了循环荷载条件下,煤岩样及加锚煤岩样的损伤演化机制。回顾了复杂条件下(采动影响、高应力、破碎围岩)巷道控制方法,包括注浆加固、锚注加固及围岩联合控制技术等。最后,分析了上述研究存在的不足,对未来的发展趋势进行了展望;多重扰动条件下,应在回采巷道围岩裂隙发育演化特征和围岩地质强度因子演化、裂隙岩层和加锚裂隙岩层低周疲劳损伤演化特征、本构关系及回采巷道围岩稳控方法和技术等方面加强研究。