Numerical simulation of rockburst disaster and control strategy of constant resistance and large deformation anchor cable in Gaoloushan tunnel

The Gaoloushan Tunnel in Longnan City,Gansu Province,China,frequently experiences rockburst disasters due to high in-situ stress.Managing rockburst in deep-buried tunnels remains a challenging issue.This paper employs RFPA(Rock Failure Process Analysis)software to establish a calculation model of constant resistance and large deformation(CRLD)anchorages and analyzes the effects of different support methods and pre-stress levels on rockburst.We simulate the process of tunnel rockburst disasters and find that ordinary anchor support incurs rockburst on the right arch waist and arch top,forming a V-shaped explosion pit.CRLD anchor support has several advantages in rockburst control,such as more uniform stress distribution in the surrounding rock,a uniform distribution of plastic zones,less noticeable damage to the tunnel,and effective control of the arch top displacement.The effectiveness of the CRLD anchor support under varying pre-stress conditions shows that a higher prestress results in a smaller plastic zone of the surrounding rock and arch top displacement and a lower number of acoustic emission signals,which better explains the excavation compensation effect.Moreover,adding long anchorages in the deep surrounding rock area can better control rockburst and reduce surrounding rock deformation.Based on these findings,we propose a comprehensive control system that combines long and short anchorages and provides the optimal scheme based on calculations.Therefore,by using high-prestress CRLD anchor support and the combination of long and short anchorages at critical positions,we can enhance the integrity of the surrounding rock,effectively absorb the energy released by the surrounding rock deformation,and reduce the incidence of rockburst disasters.

复合扩管式锚索恒阻器的研发与试验研究

深部高应力、软弱围岩、强烈采动影响等条件下的巷道围岩频繁出现大变形,此类围岩大变形支护可控性普遍较差,常规锚索因其较低的延伸率无法适应巷道大变形而大量破断或锚固失效,导致巷道出现冒顶隐患。针对此类问题,研发了一种与常规锚索配合使用的复合扩管式恒阻器,其结构主要由止进端盖、扩径管、一体式托盘和锥式锁具组成,通过锥式锁具克服扩径管“扩胀—摩削”所产生的近似恒定的复合阻力,实现围岩大变形过程中的锚索支护阻力恒定,通过理论分析、数值模拟和静力拉伸试验等综合研究方法,系统分析和试验了复合扩管式恒阻器的力学特性和工作稳定性,掌握了该恒阻器扩径增量、锁具锥角对扩径管变形及恒阻器复合阻力的影响规律。试验结果表明:恒阻器复合阻力主要分为阻力快升段和近恒定阻力段2个过程,且近恒定阻力段作为主要阶段达到试验全程的85%~90%;锁具锥角、扩径增量直接影响了扩径管变形及恒阻器力学特性,锁具锥角小于20°时,扩径管变形均匀且恒阻器复合阻力发挥稳定,而扩径增量则决定了恒阻器复合阻力的大小,可通过调整扩径增量获取需要的锚索恒阻力;Ф17.8 mm锚索条件下,当锁具锥角为15°、扩径增量为5 mm时,恒阻器恒定阻力约为265.92 kN,Ф21.8 mm锚索条件下,当锁具锥角为15°,扩径增量为8 mm时,恒阻器恒定阻力约为424.15 kN,且工作状态稳定可靠,可较好的符合大变形巷道的恒阻支护要求。此外,该恒阻器还具有工作稳定性强、恒阻行程及阻力可调、结构简单、安装便捷等特点,是大变形巷道围岩控制技术的有效补充。

跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理及控制技术研究

针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题,以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景,探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理,研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模型研究断层及切顶卸压自成巷顶板各相关参数对巷道直接顶应力的影响,将切顶卸压自成巷顶板变形过程划分为4个阶段,研究巷道顶板各阶段及总垂直位移量计算方法并给出计算公式,并将相关参数代入公式求解跨断层切顶卸压自成巷顶板垂直位移量;利用3DEC数值模拟软件建立跨断层切顶卸压自成巷数值计算模型,研究断层附近巷道顶板应力应变演化规律及恒阻锚索控制效果,研究结果表明:数值模拟上下盘巷道顶板变形数据与理论分析所得数据结果误差分别为1.14%、4.04%;恒阻锚索能够有效减小巷道顶板变形,与未使用恒阻锚索模型相比,上盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至16.8%,下盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至50.7%;上下盘巷道顶板在工作面回采过巷道测点断面过程中出现不同程度的应力集中,其中上盘巷道顶板的垂直应力集中值大于下盘巷道,分别为5.72 MPa和4.48 MPa;恒阻锚索通过减缓断层附近巷道顶板变形速率,待巷旁碎石帮充填完成后与碎石帮共同对巷道顶板变形进行控制;将11101工作面运输巷围岩位移监测数据与理论模型计算结果相比较,误差均在10%以内,证明“切顶卸压+恒阻锚索”支护方式对跨断层巷道顶板变形具有良好的控制效果。

基于大变形升阻锚索深埋巷道围岩稳定性控制研究

研发了一种新型大变形升阻锚索支护结构,通过串联6个壁厚5 mm含环形V槽的直管型钢结构实现锚索吸能让压,吸能率为44.55 J/g。拉拔试验结果表明新型锚索极限变形量(221.58 mm)与普通传统锚索相比增加了4.87倍,具有大变形、增阻及高吸能等优良性能。通过离散元UDEC程序的二次开发,模拟了新型大变形增阻锚索支护阻力−变形曲线的双弹性阶段。采用新型锚索对深埋巷道围岩支护效果数值模拟结果表明,与无支护及传统锚索支护相比,顶板下沉量分别减小了88.33%与74.64%,稳定状态下最大主应力峰值分别减小了23.15%与18.34%,塑性区厚度分别减小了37.50%与62.50%。最后将新型大变形增阻锚索成功应用于真实巷道,两帮最大收敛变形量约为300 mm,实现了较好的支护效果。

110采煤工法的技术原理及其先进性探究

110采煤工法是以机械化、自动化、信息化和智能化为基本特征的新型煤矿开采方法,可提高煤炭资源回收率,最大限度满足现代化煤矿生产需要。对110采煤工法(即厚煤层切顶卸压沿空自动成巷无煤柱开采技术)进行了分析和研究,阐述了110采煤工法的基本原理和主要技术特点。该工法包括恒阻锚索支护和超前聚能爆破切顶等一系列关键技术。结合传统采煤方式对110采煤工法的工艺、技术先进性进行了分析,得出该工法具有自成巷道稳固、掘进量小、资源利用率高等优势,建议在全行业范围内进一步广泛推广。

适用于围岩大变形的膨胀吸能锚杆研发研究

为解决岩爆及大变形隧道的开挖稳定性问题,在现有锚杆的基础上,提出了一种膨胀吸能锚杆(简称EEA锚杆)。EEA锚杆的主要组成部分为一个可扩径的外管体、锥形挡块及限位环。其特点是在使用中具有稳定的恒阻力和可控的大位移,恒阻力是由锥形挡块和外管体内表面的摩擦力以及外管体的膨胀所提供的,大位移是由锥形挡块在外管体中的滑动所提供的。通过建立一个理论模型来预测EEA锚杆的恒阻力,通过有限元模型分析,研究了不同材料、锥形挡块锥角、外管体壁厚、摩擦系数等参数对EEA锚杆恒阻力的影响。理论结果和有限元模拟结果表明,恒阻力和锥角、外管体壁厚成线性关系,但对于摩擦系数则呈现非线性关系,这些结果可以为EEA锚杆的设计以及施工应用提供一定的理论依据。

破碎复合型顶板巷道支护参数优化与围岩控制方法

针对工作面复合型顶板巷道破碎围岩的变形问题,采取理论分析、数值模拟以及现场监测的综合方法,在优化现有巷道支护参数的基础上,提出了一种“高强度螺纹钢锚杆+预应力锚索+恒阻大变形锚索+钢筋梯子梁”的综合支护方法。数值模拟结果表明,该方法可以在巷道支护区域形成一定范围的卸压区,显著减少围岩的变形量,以确保巷道的稳定性。工程实践表明,基于该方法设计的余吾煤业N1103胶带顺槽支护方案,巷道顶底板最大移近量78 mm,两帮最大移近量限102 mm,有效地控制了巷道围岩变形。该方法为工作面在类似条件下实现安全和高效的回采提供了可能,也为类似条件下的矿山巷道围岩控制提供了有价值的参考和指导。

中厚煤层综采工作面切顶卸压沿空留巷应用研究

针对杜儿坪煤矿中厚煤层综采工作面回采率低、掘进成本高、采掘接续紧张等相关问题,以62709工作面回采巷道为工程背景,结合理论分析和现场工业试验,采用爆破切顶卸压和沿空留巷技术,通过中厚煤层综采工作面切顶卸压控制技术的关键参数优化,确定“切顶卸压+恒阻大变形锚索联合支护”协同控制方案。切顶高度为8 m、切顶角度为15°的情况下,具有最佳的切顶卸压效果。现场试验结果表明,在回采过程中,巷道爆破切顶段顶板动量较未切顶段下降约40%,巷道两侧变形量较未切顶段下降约50%。该技术对提高煤炭的回收利用率,缓解生产接续紧张的压力,推动煤炭企业可持续发展有重要作用。

盾构隧道变阻滑移锚式接头抗剪性能研究

盾构隧道管片接头是整体衬砌结构的薄弱环节,接缝张开量超限极易导致结构出现不同程度的损伤和破坏。针对盾构隧道环间大变形问题,提出了一种变阻滑移锚式接头,并基于有限元软件ABAQUS,建立了接头-管片三维精细化数值模型,考虑管片厚度、强度、轴力等影响因素对接头-管片结构抗剪性能及破坏机理展开深入研究。结果表明:管片强度对接头-管片结构抗剪刚度及结构损伤影响较小;不同轴力下管片损伤及套杆应力分布情况不一致,随着轴力的逐渐增加,摩擦力增大后会分担一部分剪力,造成管片损伤相应减小,而套杆损伤程度相对增加;管片较薄时难以充分发挥接头力学性能,甚至会在管片内侧表面出现裂缝进而影响衬砌结构安全。该研究成果可为新型接头的设计与加工提供技术参考。

适用于软岩大变形隧道的新型吸能锚杆及其参数优化研究

锚杆支护是解决高地应力软岩隧道、巷道等地下工程中围岩大变形问题的有效措施之一。针对传统砂浆锚杆存在的变形适应性差问题,提出了一种由锥块、光滑锚杆体、套筒、限位环、锚杆托盘及紧固螺母等组成的新型恒阻力吸能锚杆。当围岩变形时,锥块在套筒中滑动以适应围岩的大变形,并提供恒定阻力;当围岩变形量达到容许值时,锚杆转化为传统锚杆的刚性支护,依靠杆体材料提供承载力。采用数值试验的方法和室内拉伸试验的方法对新型锚杆在不同锥角、套筒壁厚和不同摩擦系数下的工作性能进行了数值试验研究,优化了新型锚杆的几何参数,对优化锚杆的性能进行了室内验证试验。数值分析和室内试验结果表明:新型锚杆在锥块锥角较小时,锚杆的载荷-位移曲线可区分为线弹性、短暂下降和恒定阻力三个阶段;在锥角较大时,曲线短暂下降段消失。新型锚杆的平均恒定阻力和吸能能力随着锚杆锥角和套筒壁厚的增加呈线性增加,在锥角角度α=15°、套筒壁厚t=5 mm、摩擦系数μ=0.20时,锚杆工作性能最佳,其平均恒定阻力可达186.32 kN,吸收能达33.4 kJ,室内试验验证了新型吸能锚杆优越的工作性能。

厚煤层大采高工作面双巷一次自成巷支护技术研究

无煤柱自成巷技术对于缓解采掘衔接紧张、减少煤炭资源浪费具有重要作用,然而目前无煤柱自成巷多用于薄及中厚煤层且一般为单留巷,为此,开展了厚煤层大采高工作面双巷一次自成巷支护技术研究,结果表明:在厚煤层无煤柱自成巷中,切顶深度达到3倍采高以上,能够显著改善巷道侧位移和应力;厚煤层大采高工作面无煤柱自成巷临时补强支护采用单元支架较采用单体液压支柱巷道顶底板移近量降低47.8%,两帮移近量降低53.8%;厚煤层大采高双巷一次自成巷主体支护采用切顶卸压结合恒阻大变形锚索,自成巷滞后采空区不同区段补强支护采用单体液压支柱和单元支架,能够有效控制留巷变形,取得了良好的效果。

近距离煤层采空区下巷道支护研究

为了解决近距离煤层采空区下巷道支护技术难题,在充分分析地质条件的基础上,采用数值模拟分析工作面位于不同位置时对下部巷道的影响。根据模拟结果,提出了以恒阻大变形锚索支护和注浆锚索支护为主的补强支护技术。经现场实际监测,加强支护后的3条巷道顶板下沉量最大为78mm,两帮收敛量最大为116mm,两帮收敛量和顶底板移近量得到明显控制,满足安全生产需要。

切顶卸压沿空留巷技术在综采工作面的应用

为了提高煤炭资源的回收率,针对神达望田煤业有限公司11215工作面的地质情况,采用一次采全高切顶卸压沿空留巷技术对煤层进行开采。为了确保留设巷道围岩的稳定性,决定采用“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主的技术方案。实践表明:该方案减少了保护煤柱的留设宽度,提高了煤炭资源的回收率,能够满足安全生产的需要,取得了较好的支护效果和经济效益。

厚层坚硬顶板无煤柱自成巷开采关键控制技术

厚层坚硬顶板的无煤柱自成巷开采相比一般条件顶板带来的问题突出。系统总结了关于厚层坚硬顶板无煤柱开采的关键控制技术,包括采用分级综合预裂爆破技术体系、高恒阻大变形锚索支护技术和挡矸防冲支护技术体系,研究内容完善了无煤柱自成巷开采的技术框架,进一步推动煤炭开采行业技术革新。

不同冲击波长下恒阻大变形锚杆动力学特性研究

利用改进的霍普金森冲击拉伸实验系统,研究了恒阻大变形锚杆(CRLD锚杆)在三种不同冲击波长(0.6、1.0和1.4 m)下的力学性能,并与传统强高度锚杆的抗冲击特性进行了比较。同时,通过LS-DYNA进行数值分析并与实验结果相互验证。结果表明:冲击能量相同,冲击波长与冲击力峰值、伸长量峰值呈负相关。传统高强度锚杆每次冲击后都没有明显的伸长,直至发生没有征兆的“脆断”,而CRLD锚杆在冲击过程中产生较为明显的伸长量,不会发生脆性断裂等现象,说明传统高强度锚杆在受到动力冲击时更容易发生失效,CRLD锚杆由于输出结构变形,减弱了冲击力的作用。

煤矿井下切顶卸压无煤柱综合开采技术的应用研究

为了解决煤矿井下预留煤柱支护所存在的煤炭回采率低、安全性差的不足,提出了一种基于“110工法”的井下切顶卸压无煤柱综采技术。通过综合运行恒阻大锚索补强支护技术、顶板定向预裂切缝技术、井下巷道支护技术等,实现井下无煤柱综合开采。根据实际应用表明,该综采技术方案能够减少一条巷道掘进,每年可多回收煤炭18万t,对提升煤矿井下综采作业经济性具有十分重要的意义。

110工法在陕北榆横矿区的应用

为进一步提高陕北榆横矿区煤炭资源回收率以及生产安全性,以朱家峁煤矿1310工作面作为110工法的推广试验巷道。围绕110工法的顶板预裂、双向聚能拉伸爆破破岩及恒阻大变形锚索支护等关键技术开展深入研究,掌握了厚层砂岩顶板无煤柱自成巷的关键技术,并在1310工作面成功应用,效果明显,为陕北榆横矿区类似矿井推广110工法积累了宝贵经验。

巨厚煤层三软回采巷道恒阻让压互补支护研究

针对沈阳清水煤矿第三系巨厚大地压软围岩煤层回采巷道开掘后支护失效严重、围岩大变形及4次返修无法稳定的现象,分析围岩塑性流变、非对称变形破坏、支护体与围岩大变形不协调等变形力学机制。提出采用恒阻大变形锚杆初次支护,在恒阻力作用下保护锚固体的承载力,通过恒阻锚杆的延伸多次释放变形能,将集中应力转移到深部,调动深部围岩承载能力,形成稳定的塑性承载圈;然后针对回采巷道变形特点采用顶板加强、两帮让压、底角加固的二次互补加强支护,形成适应三软巷道变形特征的围岩–支护协同承载体,将围岩变形速率控制在合理范围。基于该方法下提出的锚索+恒阻大变形锚杆+钢带+底角锚注联合支护设计,在该矿南二采区205工作面运输顺槽中使用后,顶板下沉降低75%,两帮收缩减小60%,底臌减小42%,巷道支护状况得到明显改善。实践证明,恒阻让压互补支护系统可有效控制三软巷道围岩稳定。

新疆中生代复合型软岩大变形控制技术及其应用

针对新疆沙吉海矿区中生代复合型软岩产生的顶板离层冒落、侧墙鼓出、底板鼓起等非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、理论分析、数值计算、物化分析、软岩水理作用测试、现场测试等手段和方法,深入分析本区中生代复合型软岩巷道围岩的分子膨胀+岩体结构面错动+开挖扰动的复合破坏机制,提出以恒阻大变形锚网索耦合支护为核心的主动支护技术体系。通过恒阻装置充分释放围岩膨胀能和塑性能,减小支护荷载及高应力集中,同时借助高阻性能抑制过大有害变形,合理控制围岩塑性圈;然后通过锚网索二次耦合支护消除围岩塑性大变形、层间软弱结构面的错动引起的围岩–支护之间的变形不协调,并采用注浆锚管控制底鼓大变形,最终形成围岩–支护结构协同承载体系。基于非线性大变形力学设计方法及数值分析,进行施工过程设计及参数设计。工程实践表明,该技术得到成功应用,保证了巷道的稳定。

负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用研究

冲击地压发生强度、危害程度及频次呈急剧增加趋势,现有支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求,基于负泊松比材料的特殊力学特性,结合井下巷道冲击大变形控制的需求,研发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形锚索。采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结合的方法,对新型锚索的防冲力学特性进行了研究,结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下产生滑移拉伸变形的同时保持350 kN左右的恒定阻力,多次落锤冲击动力作用下,能够通过保持恒定阻力并产生拉伸变形来吸收冲击能量。以沈阳红阳三矿1213回风联络巷为工程背景,提出了现场采用爆破形式模拟冲击地压的现场防冲方案,试验表明高恒阻大变形锚索在爆炸冲击力作用下可以产生瞬间滑移变形,从而吸收爆炸产生的冲击能量,并具有保持恒定阻力的特殊力学性能;通过现场对比试验可知,在相同当量爆破冲击能量作用下,普通锚索试验段完全崩垮,恒阻锚索试验段整体稳定,验证了恒阻大变形锚索比普通锚索具有更好的抗冲击力学性能。