深部巷道全空间协同控制技术及应用

深部巷道支护受地应力和围岩力学特性共同影响,且支护方式多样化。该文系统总结了深部巷道围岩变形破坏的典型特征,提出了深部巷道全空间协同控制技术,其对不同地质条件下深部巷道的支护方式和参数进行针对性优化设计。阐释了全空间协同控制的力学原理:"全空间支护、刚柔协同、让压释能、动态监测、局部加强",其核心是锚网索全空间协同控制,充分发挥围岩的自承能力。对比分析了不同预紧力条件下单体锚索、传统桁架和全空间桁架预应力场差异。研究表明,全空间桁架的最大预应力能比单体锚索提升了35%~40%。模拟分析知围岩黏聚力、内摩擦角和弹性模量为巷道变形主控因素。现场实践表明,全空间协同控制技术能够有效控制不同埋深巷道围岩变形。

采矿岩石多尺度破坏力学

采动复杂应力环境下围岩的多尺度破坏行为是诱发煤矿灾害的一个根本因素。本文系统总结了团队十多年来在岩石宏细观破坏力学、巷道围岩控制及岩层移动等采矿岩石多尺度破坏力学的研究进展。在岩石力学室内实验尺度方面,利用带加载装置的SEM高温试验系统研究了热力耦合作用下岩石细观裂纹的萌生、扩展和断裂全过程,揭示了细观断裂机制;研究了不同加卸载条件下煤岩体及煤岩组合体宏观破坏力学特性,建立了煤岩体宏观破坏非线性模型。在巷道围岩尺度方面,揭示了巷道围岩应力梯度破坏机理,建立了深部巷道等强支护理论,明确了巷道支护方向,据此提出了巷道全空间协同控制技术并进行现场应用。在采场岩层破断移动尺度方面,实验研究了不同厚度顶板破断演变的4种模式;基于关键层理论,提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型和内外“类双曲线”模型,分析了该模型随着关键层位置和煤层倾角的演化规律。上述成果为我国煤矿开采灾害防治提供理论和技术支持。

煤与油页岩上行卸荷联合开采破坏行为及模拟分析

基于龙口北皂煤矿工程背景,提出了煤与油页岩上行卸荷联合开采方法。指出了煤与油页岩联合开采需要解决的关键问题:油页岩破坏机理与峰后强度特性、油页岩工作面布置与回采巷道围岩控制、煤与油页岩联合开采的非连续破断数值分析等。研究认为油页岩在下部煤层开采后处于峰后破坏阶段,之后被重新压实,强度有所回升,油页岩开采应处于中间某一合理强度区间。研究表明北皂矿煤2与油页岩联合开采的合理层间距范围为[13.2 m,32.9 m],且油页岩开采工作面应滞后煤层开采工作面大于125 m。煤与油页岩联合开采在龙口北皂矿成功进行了工程实践,取得了良好的经济效益,实现了煤矿的可持续发展。