基于拱-梁耦合结构的深井含煤复合顶板支护研究

为了解决在深井高地应力情况下,含煤复合顶板巷道离层严重的问题,以山西梗阳煤矿回风巷为研究对象,通过现场顶板钻孔窥视、理论计算,数值模拟和工程实践的方法探讨了含煤复合顶板离层破坏的机理,并基于拱-梁耦合支护理论,提出采用"阶梯型束锚索强力支护系统"与高强锚杆联合支护的方法进行支护,经数值模拟和工程验证,采用这种支护方式能很大程度减小顶板离层情况,保持围岩稳定。

特厚松软煤层巷道顶板拱-梁耦合承载作用机理

由于特厚松软煤层巷道顶煤层理裂隙发育严重、黏聚力小、强度低,为解决此类巷道围岩破碎变形不易控制及其支护结构失稳的技术难题,综合采用理论分析、相似材料模拟试验、数值模拟分析的研究方法,提出了特厚煤层巷道拱-梁耦合主动承载结构支护体系,阐述了组合梁、承载拱的形成与作用及拱-梁耦合作用机理;并以金地煤业回采巷道为研究对象,运用数值模拟详细研究了锚索关键参数(长度、预紧力、间排距)对拱-梁承载结构稳定性的影响;同时建立了拱-梁承载结构稳定性评价体系,以加权平均的计算方法对关键参数影响因次做出排序。研究结果表明:拱-梁耦合承载结构是巷道支护结构的主体,此结构的存在有效提高了特厚松软煤层巷道的围岩强度及稳定性,改善了围岩破碎变形,控制了巷道失稳;采用形态参数评价拱-梁承载结构稳定性具有一定的客观性,得到结构形态参数贡献系数分别为:拱体积0.3,拱心压应力0.3,弧长0.2,梁体积0.1,梁心压应力0.1;锚索关键参数对拱-梁承载结构稳定性的贡献率依次为:间排距贡献率365.21%,预紧力贡献率80.34%,长度贡献率30.98%,影响作用为间排距>预紧力>长度;针对金地煤业回采巷道,优化支护参数(锚索间排距1 m×1.6 m、预紧力150 kN、锚索长度8 m、锚杆间排距0.8 m×0.8 m)后的拱-梁承载结构可保持巷道稳定,满足生产要求。

特厚松软复合顶板巷道拱–梁耦合支护结构的构建及应用研究

因特厚(10 m以上)松软复合顶板原位强度低、层理裂隙发育,其巷道维护不当极易造成大面积冒顶伤亡事故。结合典型的工程实例,采用原位实测、物理模拟与数值计算手段,分析特厚松软复合顶板的结构形态与破坏特征,揭示特厚复合顶板巷道浅部岩层锚杆组合梁与深部岩体锚索承载拱的形成及其拱–梁耦合作用机制。研究表明:高应力环境下,复合顶板受层状构造、结构面特征及层间结合度等因素的影响,其离层破裂具有迅速扩展的本性,其破坏形态主要包括弯曲断裂、错动滑移及碎胀扩容;在特厚松软复合顶板中构建的拱–梁耦合支护结构是维护巷道围岩稳定的结构主体,其对顶板稳定控制作用明显,与锚杆支护巷道相比,顶板可承受最大应力提高77.8%,巷道断面收缩率减小52%,增加锚索密度可使巷道支护结构稳定性显著增加;浅部锚杆组合梁可促进深部锚索承载拱的形成,深部锚索承载拱对浅部组合梁具有减压、降载和明显的减跨效应。建立巷道拱–梁结构体系力学模型,实现对巷道支护结构的稳定性设计与评价,为同类特厚复合顶板巷道支护参数设计提供借鉴。

回采巷道支护研究

基于对回采巷道顶板破坏的分析,研究了亿隆煤业21206工作面回采巷道的支护方案及支护效果。亿隆煤业21206工作面回采期间,顶板变形量较大,通过拱-梁耦合方式进行支护,浅部锚杆和深部锚杆相辅相成,两者共同作用,减少了顶板受到的拉伸破坏和离层破坏,起到良好的支护效果。工程应用显示,最大顶板离层量为9.4 mm,最大两帮位移量为131 mm,支护方案起到良好的控制作用,保证了工作面的顺利回采。

回采煤巷大厚度泥质层状顶板失稳机理及控制对策

针对具有强度低、层间作用弱、分层厚度小而累计厚度大等属性特征的大厚度泥质层状顶板易变形、难支护特点,以赵庄矿33053回采煤巷为工程背景,根据煤巷工程地质环境、支护方式及顶板失稳特征,构建煤巷顶板岩梁文克尔地基模型并求解出挠度表达式,分析了煤巷顶板岩梁挠曲下沉特征及其关键影响因素,揭示了煤巷大厚度泥质层状顶板的失稳机理。基于锚杆(索)的组合和压缩效应提出了结构与预应力均连续的顶板梁-拱耦合承载结构,阐明了浅部岩层组合压缩承载梁结构与深部岩层压缩承载拱结构的形成机制及二者间的耦合作用机理。现场工程应用结果表明:大厚度泥质层状顶板煤巷采用不同长度预应力锚索配合锚杆支护,在整个使用周期内围岩变形量明显减小、锚杆(索)破断率显著降低,有效确保了煤巷围岩的稳定性。