基于冲能吸能平衡效应的冲击地压巷道分级支护研究

冲击地压是煤炭开采过程中发生的一种动力灾害,主要是由积聚在煤岩中的弹性变形能突然急剧释放造成的,约90%发生在巷道中。巷道冲击破坏不仅与冲击能量直接相关,还与冲击距离远近紧密相关,提出能距比的概念,即冲击震源释放能量与其至巷道距离的比值。根据冲击地压动静载叠加机制和冲能吸能平衡理论,综合考虑冲击震源能距比量级、巷道破坏程度、支护构件吸能、弱结构吸能等特性,建立了巷道围岩冲击矿震稳定性控制模型,分析了冲能、吸能的构成和计算过程,搭建了冲击地压能级与巷道支护强度之间的对应关系,确定了“四高锚网+”为主导技术的煤矿巷道防冲抗震支护体系。根据能距比量级大小,将冲击地压巷道支护安全可靠性分为P1~P4级别,分级对应采取不同支护强度的“四高锚网+”组合支护技术。“四高”锚网支护可对应能距比为102量级的无冲击巷道,“四高锚网+1”(O型钢棚、吸能防冲单元架、围岩弱结构)对应能距比为103量级的冲击地压,“四高锚网+2”对应能距比为104量级的冲击地压,“四高锚网+3”对应能距比为105量级的冲击地压,106及以上量级的冲击危险必须停产、撤人远场处理。结合工程实例进行了巷道防冲支护方案和参数设计,初步验证了理论研究成果的可行性和实用性。研究成果可为我国煤矿冲击地压巷道支护理论研究和工程实践提供一定的参考指导。

松软破碎厚顶煤小煤柱巷道围岩控制技术研究

以山寨煤矿3506回风顺槽为工程背景,通过理论分析、数值模拟和现场实践等方法,揭示了松软破碎厚顶煤小煤柱巷道存在围岩变形大、应力高,煤体裂隙发育、围岩稳定性差等特点;提出了“锚杆索高强高阻支护+弱结构卸压”组合围岩控制技术;现场实践结果表明,支护方案优化后,最大顶板下沉量为120.9 mm,最大两帮内缩量为187.4 mm,巷道围岩稳定性得到有效控制,支护效果满足开采生产要求。

双掘两采留巷围岩应力演化特征及控制技术研究

为解决厚煤层双掘两采留巷围岩稳定性差、长期维护困难等技术难题,以园子沟煤矿1012007综放工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟以及现场实践分析了双巷掘进、一次采动、二次采动期间留巷围岩应力演化特征与塑性区发育规律,得到了留巷在一次采动期间表现出非对称应力演化特征与围岩塑性区非对称发育规律相一致,并提出了“长短锚杆索梯次支护+帮顶M型钢带整体支护+弱结构卸压”组合支护技术,最后成功应用于现场实践。

特厚煤层巷道冲击破坏机理及全锚索支护技术

针对特厚煤层巷道围岩冲击破坏严重等问题,基于弹性力学与冲击动力学,研究了特厚煤层巷道冲击破坏机理,揭示了顶煤破坏主控影响因素,分析了动载应力波传播过程及巷道围岩支护体系动力响应特征,确定了特厚煤层巷道围岩抗冲支护技术。研究发现:巷道顶煤岩梁冲击破坏程度与围岩静载集中应力、冲击震源强度和岩梁长度成正比,与应力波传播距离、岩梁厚度及强度成反比;冲击动载应力波传播过程分为应力起始振动期、应力波动期和应力调整期;应力起始振动期巷道围岩表面质点开始振动,锚杆索出现预卸压,应力波动期巷道围岩破坏加剧,锚杆索产生一定损伤,应力调整期巷道围岩趋向于稳定,锚杆索轴力也趋向于稳定值;随着冲击动载强度增大,巷道围岩质点振动速度、位移增量和加速度呈指数关系增长;巷道围岩临界冲击能量为105 J,大于临界冲击能量,巷道围岩动力破坏加剧,锚杆索损伤增大;采用全锚索梯次让压支护技术,巷道可形成浅表深锚高预应力层与深部梯次让压协同支护层,增强巷道顶煤岩梁强度及厚度,降低锚索冲击动载损伤值,提升巷道围岩抗冲性能。工程应用表明,采用全锚索梯次让压支护技术,巷道围岩裂隙发育深度降低50.47%~55.42%,变形量降低52.89%~68.78%,锚杆索损伤降低,巷道围岩稳定性显著提升。

冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析

根据巷道冲击震动破坏的原因和机理,建立了冲击矿压巷道围岩稳定性控制的强弱强(3S)结构力学模型,分析了该力学模型防冲抗震机理,在结构自身强度、应力转移和吸收、变形及能量耗散等方面分别表现出不同的3S特征,并推导得到了巷道支护体内强小结构发生冲击震动破坏的应力判据和能量准则。最后,对该模型在工程中的应用做了理论分析,提出要通过减小外界震源载荷、合理设置弱结构、提高支护强度等措施来防范巷道冲击矿压动力灾害。

岩土介质中冲击震动波传播规律的微震试验研究

冲击矿压(岩爆)造成矿山巷道及开采空间的破坏,主要原因也是由于冲击震源产生的震动波传播扰动而引起的。采用TDS–6微震信号数据采集试验系统,通过地面不同场地介质进行的微震试验,得到沿传播距离各个拾震器位置的能量变化曲线,并对比分析不同场地介质中冲击震动波传播能量衰减指数的差异。试验结果表明,岩土介质中冲击震动能量沿传播距离呈乘幂关系衰减。能量衰减指数η在完整坚硬致密介质中很小,而在松散软弱孔隙介质中明显增大,而且能量初始衰减很快,到一定距离后则变得非常微弱。这些结论为进一步研究巷道围岩冲击震动破坏机制、巷道围岩防冲抗震的强弱强结构控制原理等奠定理论基础。

煤(矿)柱失稳冲击破坏的突变模型及其应用

应用突变理论,建立了煤(矿)柱受载失稳发生冲击矿压(岩爆)的尖点突变模型,得到了在刚度比和全位移两个变量控制空间下煤(矿)柱失稳发生冲击矿压(岩爆)动力现象的分歧点集,得出了预测预报煤(矿)柱失稳发生冲击破坏的临界点位移公式.进而,对模型的应用作了进一步讨论,并解释了冲击矿压(岩爆)发生的刚度理论和预应力锚杆支护体系加固围岩防冲、减冲机理,同时结合热力学定律阐述了煤岩体注水、深孔爆破卸压等防冲减冲措施的机理.

基于能量平衡理论的冲击矿压巷道支护参数研究

论文基于能量平衡理论,推导分析了巷道围岩结构在震源冲击扰动时破坏失稳的能量准则.结合己二采区22040机巷防冲支护工程实践,实验室测定煤样冲击能指数为4.02,弹性能指数为3.743,确定巷道围岩具有中等冲击倾向,设定冲击矿压震级ML=2.5,采用三维锚索配合普通圆钢锚杆、π型钢带及金属网联合支护进行了该巷道防冲支护参数设计.实践表明,设计支护系统及时吸收了该巷道发生的约2.0震级的冲击动能,顶底板移进量422 mm,两帮移进量375 mm,巷道围岩结构仍保持稳定,有效防止了巷道冲击矿压破坏.

伪硬顶高地压水患巷道围岩综合控制技术及工程应用

不同顶板岩性组成对巷道围岩稳定性影响很大,特别是对遇水软化、风化程度高的伪硬顶板,必须区别对待。通过岩层粉末的X射线衍射试验测定了7244工作面伪硬顶板——砂岩物相组成,掌握了该顶板岩石遇水岩性衰减强度弱化、岩面风化损伤滑移断裂原因的微观组成结构,进一步分析了锚固体承载结构预应力损失锚固失效的内在机理,指出这类伪硬顶高地压水患巷道,最核心的问题是治水,解决了水患,伪硬顶就是真硬顶。在高强高预拉力锚杆支护技术体系的基础上,通过围岩内部适量注浆、表面喷混凝土封闭措施,减弱和消除地下水对煤岩体及锚固体的影响。针对该类巷道提出的“三区三顶三支护”围岩综合控制思想及技术,在现场初步得到了成功应用,为该类煤层巷道的锚杆支护技术提供了参考和借鉴。

冲击煤层巷道锚网支护防冲机理及抗冲震级初算

文章分析了冲击矿压时程特性对巷道支护构件的特殊功能要求,提出了冲击-支护的3D特性匹配,要求支护构件必须同时具备高强度、大刚度和一定的柔度,比较了钢棚、锚杆支护对冲击矿压震动破坏过程的适应性差异,分析了锚固结构中锚杆的轴向变形对P波的适应性及锚固体横向约束对S波的抵抗,并对锚网支护吸能防冲能力进行了近似计算.研究表明,锚网支护是目前相对较能适应巷道冲击矿压震动破坏效应的支护形式,约可抵抗震级为2.6的冲击矿压.

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。

深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制及其动力表现型式

冲击矿压85%发生在巷道中,随着开采深度的增加,冲击矿压发生的频次和灾害烈度都急剧增加,深部煤巷冲击矿压灾害防治已经成为一个亟待解决的技术难题。针对深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制进行研究,基于弹塑性及断裂力学原理,分析了巷道顶板岩层集力聚能破断失稳机理,推导了巷道顶板冲击裂变失稳的承载、形变及能量条件,阐述了冲击动载作用下复合顶板"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的裂变失稳演化规律。深部煤巷顶板冲击失稳模式与顶板岩梁宏观主控裂隙的发育扩展关联密切,在高静载和强动压的叠加作用下,巷道顶板呈"一横五纵"6条主控裂隙展布发育,各横纵裂隙协同扩展直至汇合贯通,最终形成"门式"震裂块体瞬间推入巷道空间发生冲击破坏。最后揭示了深部煤巷顶板岩层动力破坏失稳的6种表现型式,提出了"顶部桁架锚索+跨中长锚索+顶角斜锚杆"强力联控支护对策。

震源扰动型巷道冲击矿压破坏力能准则及实践

针对震源扰动型巷道冲击矿压破坏机理进行研究,建立了巷道围岩冲击震源扰动型冲击破坏的动力分析模型,推导了巷道围岩承载结构在"静载+动载"组合作用下动力破坏的应力判据和能量准则。基于该力学模型及其机理分析,提出合理设置弱结构消波吸能的防冲理念,并从理论角度分析了弱结构消波吸能的作用机理。最后通过工程实例,应用能量准则进行了冲击煤层巷道的支护设计及其防冲性能核算,理论研究成果初步得到了应用和检验。

三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践

煤巷锚杆支护技术在顶板较完整的简单条件下应用很成功,普通锚索的作用主要表现为将下部锚杆支护形成的锚固承载结构整体悬吊于深部围岩中,起强化支护作用,对于顶板中存在稳定岩层的煤巷,它的作用非常明显;但当巷道顶部岩层为厚及特厚松软煤层时,还未见成熟的锚杆锚索支护技术。本文首次将三维锚索应用于煤矿煤层巷道的支护中,并从力学的角度,重点论述了三维锚索的支护原理;再辅助于巷帮卸压技术,三维锚索支护技术能解决松软厚煤层、特厚煤层沿底施工一次采全厚巷道支护的难题。在实践应用中,这项技术产生了巨大的经济效益和社会效益,在类似巷道极具推广价值。

巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制

为探索深部冲击地压巷道稳定性控制技术,解决冲击地压巷道支护与卸压之间的矛盾,以义马矿区常村煤矿21170运输巷为研究对象,依据冲击地压巷道的强弱强结构模型,采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合,分析了强弱强结构消波吸能特性以及内强小结构破坏能量准则和弱结构吸能效应。根据钻孔破碎区力学特征理论推导了多次反复致裂中间弱结构卸压区影响因素,多次反复致裂半径与钻孔半径、初始应力、内摩擦角、弹性模量、降模量、峰值强度和致裂半径修正系数有关。通过数值模拟分析了内强小结构内置钢管支撑护壁技术对巷道围岩的强度和支护体结构完整性控制效果以及周围煤岩体的应力、位移的破坏规律。研究了内强小结构主动支护强化技术,中间卸压防冲弱结构的内置套管反复掏裂致裂方法,并通过微震能量监测验证了弱结构防冲吸能效应。研究结果表明:内置钢管支撑护壁技术在保护内强小结构不受破坏的作用下可以多次进行弱结构致裂,既防内强小结构松动圈裂隙扩展,又防止巷道支护层的整体失稳。工程实践表明:锚杆索主动支护+液压抬棚减跨强力支护+卸压防冲弱结构组成的“内支-外卸”组合技术,微震监测显示震动能量减少了50%,巷道两帮位移和顶板下沉显著较小,有效维护了巷道围岩稳定性,保证了工作面顺利安全回采。

煤巷围岩冲击矿压震动效应的爆破类比试验研究

通过煤矿地下原位巷道爆破类比试验,应用TDS-6微震信号数据采集试验系统,研究了冲击震动波对煤层巷道围岩的作用效应和不同区位响应特征的差异。试验结果表明:①随着与震源距离的增大,震动波能量呈指数关系E=E0e-ηl衰减,初始震动相对剧烈但衰减很快,大约20 m后幅度明显降低,到30 m后变得非常微弱;②煤巷围岩介质同一截面不同区位对冲击震动波响应特征差异较大,底板受到震动影响最强烈,两帮受到的震动影响次之,顶板和肩窝受到的震动影响最小。可见,冲击震动只对震源相对较近的煤岩产生损伤破坏效应,对远场介质破坏作用不大;巷道同一断面不同区位围岩对冲击震动波的响应有较大区别,应分别对待。

综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定

针对淮南新区13煤,应用FLAC软件模拟综放沿空掘巷留设不同宽度煤柱时围岩位移量的大小,并结合"软"、"中硬偏软"两个具有代表性的煤巷进行的工业性试验,进一步总结出这类煤层综放沿空掘巷要留设的最佳煤柱宽度及特殊的支护手段,对这类巷道的锚杆支护技术有极大的参考价值。

电磁辐射测定深部煤岩动力倾向性临界值

针对平煤十一矿己二采区煤岩动力倾向性进行了实验研究,测定出煤层的动态破坏时间TD、弹性能指数WET和冲击能指数KS,确定了该采区煤岩的冲击矿压等级,同时得到了煤岩孕冲-冲击破坏的电磁辐射(EME)现象的规律,确定了煤岩动力破坏的EME临界幅值和脉冲数,为实际生产中采取解危措施及效果检验提供了实验依据。

松软厚煤层沿底施工三维锚索支护技术

本文从力学的角度 ,重点论述了三维锚索的支护原理。再辅助于巷帮卸压技术 ,三维锚索支护技术能解决松软厚煤层、特厚煤层沿底施工一次采全厚巷道支护的难题 ,在实践应用中 ,产生了巨大的经济效益和社会效益 。

冲击地压巷道减隔震技术原理及应用

冲击地压是煤矿开采过程中最严重的动力灾害之一,对煤矿安全开采造成了极大威胁。统计表明,约90%的冲击地压发生在巷道中,致使巷道损坏、垮冒甚至闭合以及人员伤亡。巷道支护已成为防治冲击地压的最后一道防线。基于冲击地压巷道围岩破坏过程及关键影响因素分析,研究了深部冲击地压巷道减隔震技术手段和实现方法,有效保护了巷道围岩结构的整体稳定性。提出了冲击地压巷道减隔震技术原理:隔震技术是在支护层与原岩之间致裂形成具有显著消波吸能作用的松散煤岩体,吸能机理主要体现在块体松散吸能、旋转吸能、空间散射吸能、反射吸能4个方面;减震技术通过锚杆锚索、O型棚、防冲单元架等支护构件的大延伸及让压位移,经过减震支护构件的强散射和释能作用,保护巷道支护锚固体在瞬间高冲击动载作用下的整体移动性和让压位移特征;隔震+减震的双重组合保护效应,实现了巷道围岩消波降载支护体整体释能抗冲的性能特征,从而维护冲击地压巷道围岩的稳定性。现场实践和微震监测显示:减隔震技术可以有效控制冲击地压巷道变形和破坏,巷道表面监测的微震能量降低了50%,巷道支护效果显著。