深部采动巷道顶板稳定性分析与控制

深部采动巷道冒顶事故是当前煤炭资源开采中面临的重大难题。基于深部采动巷道围岩应力环境,分析了双向非等压条件下巷道围岩塑性区形成的力学机制及其形态特征,并对顶板稳定性影响因素进行了探讨。结果表明:1深部采动巷道围岩双向压力比值λ(0<λ<1)较小时,围岩塑性区形态不再是圆形和类椭圆形,而呈现出蝶形分布的特征,当碟叶位于巷道顶板上方时,容易发生冒顶;2采动应力方向决定围岩最大破坏深度的位置,并控制潜在冒落区的范围,当围岩最大破坏深度与潜在冒落高度相同时,顶板稳定性最差。要保持顶板围岩稳定,支护体必须要有足够的长度和延伸性能,据此,提出了可接长锚杆支护技术,现场试验结果表明,可接长锚杆较好地适应了顶板围岩的剧烈下沉,取得了良好的支护效果。

深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法

瓦斯抽采钻孔围岩的破坏形态和范围对于瓦斯通道区域的联通具有重要影响。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论模型为基础,对深部煤与瓦斯共采中钻孔瓦斯导向通道进行了研究,结果表明:深部环境和采矿活动引起的"加载"与"卸荷"效应,会使钻孔围岩出现有利于瓦斯导通的"蝶形塑性区",蝶叶长度可达钻孔直径的几十倍以上。以"蝶形塑性区"理论为基础,提出了优质瓦斯通道的概念:通过协调采矿工程活动与瓦斯抽采钻孔布局,形成有利于瓦斯抽采的瓦斯导通和流动网络;并确定了以构建优质瓦斯通道的应力环境,确定钻孔布置岩层层位及协调采矿活动与钻孔时空关系为主要内容的优质瓦斯通道构建方法,以实现优质瓦斯通道的高效性、稳定性、长期性,提高瓦斯抽采效率。

煤巷冒顶成因分类方法及其支护对策研究

基于近200起煤巷冒顶事故,分析了围岩体客观存在的力学性质和结构特征,系统研究了巷道典型冒顶事故与围岩体环境之间关系,提出了以煤巷冒顶控制为目标的新的冒顶成因分类标准及方法,将煤巷冒顶分为"裂隙围岩体巷道顶板局部块体坠落型"、"弱黏结层状围岩体巷道复合顶板垮落型"、"蝶形塑性区碎裂围岩体巷道顶板冒落型"和"松散围岩体巷道顶板漏冒型"4大类。在此基础上,提出了以煤巷冒顶成因分类为基础,即普通锚杆控制局部块体坠落、常规冒顶防治方法锚索或索式树脂锚杆控制小变形层状复合顶板垮落、弹簧蓄能式锚索控制大变形蝶形塑性区碎裂顶板冒落、联合支护控制特殊条件松散顶板漏冒的冒顶控制技术体系。

均质圆形巷道蝶型冲击地压发生机理及其判定准则

从均质圆形巷道围岩塑性破坏区的产生、发展和爆炸式破坏的力学机制入手,揭示了巷道蝶型冲击地压的发生机理:在一定的应力和围岩环境中,由于触发事件的诱导作用,使巷道区域应力场突然发生某种改变,导致围岩蝶形塑性区瞬间出现急剧、跳跃式扩展,并以震动、声响和煤岩体抛出的形式释放存储于体内和围岩系统中的大量弹性能,出现爆炸式破坏的动力现象。巷道蝶型冲击地压理论阐明了冲击地压的发生条件,给出了"蝶型冲击三准则",为巷道冲击地压的预测、预报及其防治提供了新的思路。

煤与瓦斯共采钻孔增透半径理论分析与应用

在煤与瓦斯共采时,受采动加、卸载应力影响,瓦斯抽采钻孔围岩塑性区内煤体会产生大量裂隙,增大了瓦斯的渗透率,形成瓦斯增透圈,增透圈半径的大小直接影响瓦斯的抽采效果。以钻孔围岩"蝶形塑性区"理论为基础,建立了钻孔塑性区与瓦斯增透圈模型,首次推导出了钻孔增透圈半径解析式。深入分析了钻孔增透半径影响因素发现:增透半径与钻孔半径成线性正比例关系,与最小围压和围压比值呈类指数增长关系,与岩石黏聚力和内摩擦角呈负指数变化关系;其中最小围压与围压比值是影响增透半径的关键因素,深部开采与高围压比值是形成大尺寸有效增透圈的必要和充分条件。这一理论为煤与瓦斯共采中瓦斯抽采钻孔间距设计、位置选择、方向确定、采场与钻孔布置在时间和空间上关系协调提供了科学依据。

困难条件下巷道对接长锚杆支护技术

为了解决困难条件下巷道顶板下沉大、易冒顶的难题,在保德煤矿回采巷道进行了巷道围岩变形与冒顶控制试验,试验结果表明:困难条件下巷道围岩变形相当一部分处于给定变形状态,现有技术水平下支护阻力对围岩变形的控制作用有限;锚索延伸能力较小,无法适应困难条件巷道顶板下沉量大而使锚索大量破断,锚索破断率与顶板下沉量正相关,顶板下沉300 mm以上,锚索破断率可达50%以上;该类巷道支护应摒弃使用锚索刚性大的支护限制变形方法,改用具有高延伸量的对接长锚杆适应此类围岩变形,并持续提供较高支护阻力防止松动围岩冒落引发冒顶。据此提出了用对接长锚杆取代锚索的支护技术,增加支护构件与巷道围岩变形的协调性,保德煤矿工业性试验结果表明,该技术能够适应围岩变形,有效防止锚索破断导致的巷道冒顶。

巷道锚杆尾部破断机理及合理结构的设计

应用材料力学理论,阐明了锚杆支护时锚尾一定受到偏心载荷作用和顶板锚杆破断的机理.通过理论分析和实验,提出了一种防止锚尾破断的新型锚杆,以及锚杆结构形式和加工制造工艺.论述了杆体直径与锚尾螺纹直径的合理级配关系,比较了金属粗尾锚杆和普通锚杆在不同载荷作用下的挠度值.证明了新型粗尾锚杆可以解决顶板锚杆破断问题.

煤巷锚杆支护关键技术及发展趋势探讨

指出了当今煤巷锚杆支护在设计方法、煤帮支护材料、顶板锚杆的结构与材料3个关键技术上的不足。提出了在锚杆支护设计方法上采用“全线信息跟踪”设计方法的新思路,介绍了2种新型玻璃钢锚杆和顶板金属粗尾锚杆。

X型共轭剪切破裂-地震产生的力学机理及其演化规律

地震的发生是一个极为复杂且高度非线性的物理过程,基于乔建永、马念杰、马骥等提出的X型共轭剪切破裂-地震复合模型,进一步研究了共轭剪切破裂-地震发生的力学机理,阐明了共轭剪切破裂-地震发生及其演化的物理过程,从软弱异性体周围岩体应力、破坏形态与地震能量变化的角度出发,发现了共轭剪切破裂-地震具有“仿蝶存亡”规律,获得了共轭剪切破裂-地震生成的必要条件。研究结果表明:由于构造应力显现区域应力环境的剧烈变化,地壳岩体中会形成以软弱异性体为中心的性态极不稳定的蝶形破坏区,它的扩展最终会形成显性或隐性的共轭剪切破裂;蝶形破坏区蝶叶每次扩展释放的能量会在一定范围内引发地震,即地震是触发事件动载作用下蝶形破坏瞬态扩展所释放弹性能的非线性动力现象;共轭剪切破裂在不同应力状态下经历了圆形和椭圆形破坏、蝶形渐进破坏与蝶形剧烈破坏的孕育期、生长期与剧变期;依据地震里氏震级的强弱,在共轭剪切破裂动态生成过程中地震活动存在着弱震期,中强震期与强震期的“仿蝶存亡”特点;共轭剪切破裂地震发生的必要条件主要有地壳中的软弱异性体存在条件,构造应力剧烈变化条件,软弱异性体及其周围岩体强度条件以及地震发生的应力触发条件。

玻璃钢锚杆阻燃机理及其配方研究

笔者指出了玻璃钢锚杆阻燃特性对煤矿生产安全具有十分重要的意义 ,分析一般复合材料的阻燃机理即隔离膜机理、自由基捕获机理、冷却机理、协同作用机理 ,重点研究了锑 -卤协效体系的阻燃特性。并根据玻璃钢锚杆的原料的特性 ,选择了适当的阻燃剂进行了试验。发现氯化石蜡和三氧化二锑的添加比例为 1∶3的玻璃钢锚杆具有理想的阻燃特性 ,从而得出了具有良好阻燃性能玻璃钢锚杆试验室配方。

新型玻璃钢锚杆成型工艺研究

本文通过对玻璃钢锚杆性能特点及现有玻璃钢锚杆成型工艺的分析,提出了一种新型玻璃钢锚杆成型工艺-间歇式拉挤锚尾后固化成型工艺,并对生产出的杆体进行了试验研究,杆体的各项性能指标均达到和超过了国家标准,具有推广应用价值。

新型煤巷顶板岩层结构探测仪的研究

通过分析锚杆钻机的钻进信息与岩石物理力学性质的内在关系,选取相关钻进信息为识别岩层结构的特征参数,研制出新型顶板岩层结构探测仪。并利用小波分析和BP神经网络处理探测数据,识别所钻进的煤巷顶板岩层结构。通过神东矿区石圪台矿的工程实践,结果表明,新型煤巷顶板岩层结构探测仪能够连续实时采集探测数据,动态地对锚杆支护的岩层结构进行识别,能够满足现场支护设计需要,有效减少生产实践中的支护浪费和预防因支护不足引起的冒顶事故。

螺纹钢锚杆直径与钻孔直径的合理匹配

以大量的实验室和现场试验为基础 ,从技术经济上深入研究了螺纹钢锚杆直径与锚杆外孔直径的合理匹配关系。研究结果认为 ,锚杆钻孔直径为 2 8mm ,使用直径为 2 2mm的无纵筋螺纹钢筋锚杆或直径为 2 0mm带纵筋建筑螺纹钢筋锚杆 ,可以取得较大的锚固效果和较好的经济效益。

圆形巷道围岩变形压力新解法

将巷道围岩塑性区内的岩体视为塑性软化介质，以岩体的全应力─应变曲线后破坏段的应力值作为岩体的塑性软化强度，得到了关于巷道围岩塑性区半径和应力的一般解，适用于具有理想弹塑性、应变软化和应变硬化特征岩体中巷道变形压力的分析计算。由于本文力学模型中引入了岩体的全应力─应变曲线，很好地反映了岩体出现塑性变形后强度降低的特点，所以计算结果对工程实践具有指导价值。著名的Ｈ．Ｋａｓｔｎｅｒ公式可以看成是本文公式在岩体出现塑性变形后强度不变的条件下的一个特解。

回采巷道围岩整体下沉及其力学分析

通过现场实测、实验室相似材料模拟试验和力学理论分析,揭示了回采巷道围岩变形破坏区别于一般基本巷道的另一个显著特点——围岩整体下沉和整体下沉效应。提出了巷道围岩整体下沉的计算公式和计算方法;指出巷道底板中心线上存在零应变点,零应变点以上的底板岩层主要出现拉应变,零应变点以下的岩层主要承受压应变。本文建立的'巷道围岩整体下沉'和'零应变点'等新概念有助于深入认识回采巷道固岩变形破坏规律,对现场确定正确的巷道维护方法也有参考价值。

掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理猜想

借鉴巷道蝶型冲击地压理论及非线性动力系统理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理的猜想,认为掘进巷道煤与瓦斯突出的力学本质是巷道掘进工作面前方极短时间内出现一定程度的蝶形塑性区增量,引发围岩内弹性能与瓦斯能的叠加并迅速释放,进而发生煤与瓦斯突出。从蝶型冲击地压与蝶型煤与瓦斯突出在塑性区变化规律上的一致性及突出能量源的大小等方面对猜想的合理性进行了论证,构建了煤与瓦斯突出危险性的评估指标体系,提出了发生煤与瓦斯突出的强度、应力、角度和触发事件等4个必要条件,确定了发生煤与瓦斯突出的充分条件;首次对煤与瓦斯突出现象、发生条件与过程进行了定量分析与定量(非定性)解释。研究成果为煤层巷道煤与瓦斯突出的预测、预报和防治提供了全新的思路。

冲击地压机理要素分析与评价

本文提出了冲击地压的能量特征和机理要素,初步建立了巷道冲击地压机理评价指标与体系(简称“3+4”指标体系),体系的主准则层为冲击地压的能量释放特征指标和机理要素指标,次准则层为能量释放突然性、瞬间性、集中性以及形成要素、关键要素、假设条件、普遍规律性。采用层次分析法计算了各准则层的权重,提出了综合评价结果的计算方法和分级标准。按照建立的冲击地压机理评价指标体系对蝶型冲击地压机理进行评价,评价结果为“优秀”。研究结果可用于评价现有冲击地压机理,同时为冲击地压机理的后续研究指明了方向。

新型玻璃钢锚杆研究

综合分析了国内外玻璃钢锚杆的发展现状及趋势 ,设计了新型的压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆结构。试验数据表明 :这种锚杆的各项性能指标均达到和超过了国家标准 ,替代目前应用的金属锚杆、木锚杆和竹锚杆等煤帮锚杆时 。

无人工巷旁充填沿空留巷支护技术与工艺研究

利用矿山压力基础理论、锚杆支护设计理论方法,综合目前高地压支护围岩松动圈理论,根据相近地段采样的标本进行数值模拟计算,比照沿空掘巷的支护方案,结合回采巷道维修时被动支护方案的比较分析,融合巷道岩层深部的岩体力学特性,选择合理的巷道围岩控制方法及锚梁网支护技术参数、单体液压支柱配合十字铰接顶梁,回采期间还预埋注浆锚杆并采用迈步垛式支架控制顶板急速下沉,形成网矸墙。通过现场矿压观测,修正了支护参数,找到了解决邢台矿区沿空留巷支护的方法,使所留巷道的支护经济、稳定、可靠。减少顶板事故,降低维修费用和维护时间,达到安全高效的目的。

新型玻璃钢锚杆生产关键技术

结合大采高矿井煤帮支护实际,对新型玻璃钢锚杆的结构、配方、成型工艺进行了研究,找到了新型玻璃钢锚杆生产关键技术解决方案,说明玻璃钢锚杆生产技术已日趋成熟,生产出的玻璃钢锚杆能够很好地满足煤帮支护要求,保证了煤矿的安全生产。