煤矿深部软岩巷道拱形支护和锚网支护的优劣分析

煤炭作为不可再生能源,在我国能源供应中占据重要地位,尤其在目前能源转型的关键阶段,确保煤炭稳定供应较为重要。在煤矿开采活动中,矿山工程项目建设的各个环节必须遵循标准化的技术操作要求和工艺标准,结合矿山工程实际要求,提高技术应用水平和工程项目施工质量。基于此,本文介绍煤矿深部软岩巷道拱形支护和锚网支护的优劣,阐述影响煤矿深部软岩巷道支护的限制因素,提出优化煤矿深部软岩巷道拱形支护和锚网支护的若干策略,希望对煤矿安全生产工作带来有益思考。

联合支护技术在深部软岩巷道中的应用

为解决深部软岩巷道锚喷支护中存在的问题,需要对其进行完善与创新。结合工程概况,分析巷道破坏原因,对围岩变形监测与分析,阐述联合支护技术及支护技术,提出支护施工工艺及技术措施,有效解决传统支护形式中存在的问题。

深部软岩巷道围岩扩容与流变特性模拟研究及应用

深部软岩回采巷道围岩劣化、扩容和流变效应显著。基于增量塑性流动理论和流变理论,将改进伯格斯体、改进黏塑性体和应变软化塑性体串联建立了BVS模型,可描述围岩应变软化、塑性扩容、蠕变三阶段、稳定与非稳定蠕变、流变损伤和流变扩容6个力学特性。推导了该模型的三维增量本构方程,并开发出可供FLAC3D调用的数值形式。结合三维增量本构方程导出的参数辨识公式和中煤能源新集口孜东煤矿岩样试验数据,辨识了BVS模型的19个输入参数,并采用试验数据、理论解和数值计算结果相互印证的方式,对多种加载条件下单元件应力-应变响应、力学特性和模型整体进行严格校核。将BVS模型用于口孜东煤矿121302运输巷进行数值模拟计算,结果表明:掘进扰动较弱;流变期间围岩大范围持续劣化,呈顶板下沉量较小、巷帮锚固体整体内移和剧烈底臌的特点;回采影响强烈,使围岩大范围劣化,巷道断面强烈变形。底板泥岩持续臌起驱动不断扩容的底煤挤入巷道空间是发生剧烈底臌的主要原因;底板深度1.5 m处流变直接导致的软化参量全程仅占比0~16%,但流变损伤引起应力调整,间接导致软化参量增大。将数值模拟计算结果与井下实测数据进行了对比分析,表明BVS模型基本能反映深部软岩回采巷道围岩变形与破坏规律,但是2者还存在较大差异,仍需进一步完善BVS模型。

深部软岩巷道变形破坏机理及支护技术

为解决深部软岩巷道大变形的问题,以母杜柴登煤矿3~(-1)煤西翼运输大巷为工程实例,基于弹性力学理论,将直墙半圆拱形断面巷道简化为圆形断面,得出了巷道在不同原岩应力、支护阻力条件下塑性区半径和位移的解析解,进而提出了“锚网喷+网壳”的联合支护方案,通过数值模拟和现场工业试验对该联合支护方案的可行性进行了验证。结果表明,锚网喷索初期支护技后,由于巷道变形能的大量释放,导致初期变形量较大,网壳支架+喷射混凝土永久支护后,巷道顶板、两帮、底板变形量分别增加了50、130、30 mm,围岩变形得到有效控制,保证了深部软岩巷道的长期稳定。

深部软岩大断面巷道大变形控制技术研究

深部软岩大断面巷道的变形控制一直是煤矿开采中的一个难题。为解决深部软岩大断面巷道大变形的问题,以神木大柳塔东川矿业南一石门为工程实例,通过现场监测及声波试验研究了巷道的变形破坏特点和破坏范围。基于原支护方案及分析成果,提出了“锚杆+注浆锚索+钢筋网+喷射混凝土+注浆管”的优化支护方案,数值模拟得出,采用优化支护方案相比原支护方案围岩塑性区破坏范围减小了约65%,验证了该方案的可行性。同时在新掘巷道进行了现场试验,巷道顶底板最大移近量为122 mm,两帮最大收敛量为115 mm,双孔声波法测试结果可得注浆浆液有效填充了巷道围岩裂缝,提高巷道围岩强度,实现了对巷道的稳定性控制,取得了良好的支护效果。

深部软岩大型三轴压缩流变试验及本构模型研究

岩体三向应力状态下的三轴流变试验是真实反映工程岩体流变特性的重要手段。详细介绍泥岩现场大型真三轴蠕变试验过程、方法和试验成果,深入分析蠕变变形随时间的变化规律,提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型及其参数,该模型真实地反映了深部软岩不同应力水平下的流变特征。研究结果表明,泥岩的蠕变速率不仅与时间密切相关,还与应力水平相关。研究成果可用于软岩工程巷道的长期变形预估和支护设计,对软岩巷道的支护优化设计具有重要的参考价值。

深部软岩工程大变形力学分析设计系统

采用飞箭软件公司的有限元程序自动生成系统作为软件开发平台,进行“深部软岩工程大变形力学分析设计系统”的合作开发工作。该软件系统具有如下特色:(1)以和分解有限变形力学分析模型为主体,包括极分解力学分析模型供用户进行对比分析;(2)强调非线性大变形力学设计特色:力学对策设计、过程设计和参数设计;(3)包括多种岩土材料本构模型和工程材料单元,可以进行边坡工程、地基工程、地下洞室工程等大变形力学分析;(4)具有我国自主知识产权。目前该软件的弹性、弹塑性大变形二维计算程序和界面已经开发完成。通过对典型算例的弹性数值分析,验证大变形程序的正确性。该软件系统的问世,可为深部软岩巷道等岩体大变形力学问题提供具有分析和设计功能的数值分析软件系统。

兴安矿深部软岩巷道大面积高冒落支护设计研究

普通小面积冒落支护技术已经被掌握,但是大面积高冒落很难被控制。兴安矿四水平重车线巷道破坏严重,发生大面积高冒落,冒落区长度为150 m,最大冒高为8.6 m,被称为“一线天”。通过对兴安矿四水平重车线高冒区支护现状进行现场调查和分析研究,发现其破坏原因主要有:(1)围岩强度低且层理发育;(2)原支护形式不合理;(3)水理作用;(4)巷道埋深大;(5)构造应力影响大。根据现场工程地质条件、岩石特性和破坏特点,通过室内试验,确定其软岩变形力学机制为高应力膨胀性软岩,并提出采用“双曲拱”柔层桁架支护技术进行支护,使巷道在空间上形成上下双硐室。工程应用效果表明,“双曲拱”柔层桁架支护技术是一种有效控制深部软岩巷道大面积高冒落的支护形式。

深部软岩巷道锚注支护数值模拟研究

采用大型有限元数值模拟软件ANSYS,对深部软岩巷道锚注支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟,对锚注支护前后围岩的应力、位移及塑性区的变化情况等进行了系统分析,结果表明,锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部软岩巷道的损伤变形。

柳海矿运输大巷返修工程深部软岩支护设计研究

通过现场调查、室内试验以及理论分析,柳海矿运输大巷支护现状进行分析研究,总结破坏原因。根据现场工程地质条件、岩石特性和破坏特点,确定软岩变形力学机制为高应力膨胀性软岩,并提出采用预留刚隙柔层支护技术进行支护。

基于和分解有限变形力学理论的深部软岩巷道开挖大变形数值模拟分析

在深部软岩工程大变形力学分析中,存在2种几何非线性大变形力学理论:和分解有限变形力学理论和极分解有限变形力学理论。介绍自主开发的有限元应用程序"深部软岩工程大变形力学分析设计系统"中和分解增量分析计算模块,给出基于和分解有限变形力学理论的有限元计算方程,并参照Hoek-Brown关于地应力与深度的函数关系,应用该程序中的和分解增量分析计算模块,对某巷道在不同的埋深下进行开挖的巷道围岩大变形进行数值模拟。计算结果表明:巷道围岩顶底板移近量的最大值要远大于巷道两帮收缩量的最大值;顶底板移近量最大值、两帮最大收缩量与埋深均具有良好的线性关系;相对于两帮的收缩速率顶底板移近量的增大速率为大。

深部软岩底鼓巷道锚注联合支护技术

为了解决煤矿深部软岩巷道底鼓难以控制的难题,提出了有效控制深部软岩巷道底鼓的注浆锚杆、锚索锚注联合支护方案。根据金龙煤矿南采区轨道上山锚注联合支护实际支护效果,提出了反悬复合拱式底板注浆结构,并分析了结构体的稳定性。结果表明:巷道锚注后,两帮平均移近量仅为35.5 mm;平均底鼓量仅为45.5 mm;顶板基本无下沉。锚注联合支护技术能提高深部软岩巷道岩体强度、改善围岩力学性能和结构、提高围岩的整体承载能力,从而有效地控制了深部软岩巷道底鼓。

深部软岩巷道锚网索-桁架耦合支护技术及其工程应用

深部软岩工程复杂工程地质条件使原有的浅部工程的支护技术和方法不能满足实际工程需要。提出采用锚网索-桁架耦合技术进行深部软岩巷道支护。利用理论分析和数值模拟等手段分析锚网索-桁架耦合支护的技术原理和力学机制,分析该技术的关键和特点。将研究成果应用于我国最深的第三系软岩巷道支护工程实践,通过现场监测验证了支护方案的合理性。

深部软岩巷道变形破坏监测分析

为了研究受断层影响的深部软岩巷道变形破坏特征,探求其最佳二次支护时间,以石嘴山一矿38采区+600 m轨道巷为研究对象,采用"双十字"法对38采区+600 m轨道巷的变形进行监测,综合巷道围岩特征、层状岩层破坏机理,应用ORIGIN科技绘图软件进行数据分析,得出深部软岩巷道变形及围岩压力不对称、变形量大、初期变形速率大、变形时间长的特征,研究结果表明掘巷100～150 m后进行二次支护更有利于巷道的稳定。

深部软岩锚注支护巷道围岩变形机理研究

深部软岩巷道围岩变形控制问题一直是煤矿研究的重点和难点。论文以平顶山八矿丁四采区轨道下山巷道为工程背景,采用现场工业性试验和数值模拟计算,对锚喷和锚注支护两种支护条件下,巷道围岩变形破坏机理进行了研究。研究结果表明:(1)与锚喷支护相比,锚注支护巷道浅部围岩的高应力区向深部围岩转移,巷道浅部围岩处于应力降低区,改善了巷道围岩应力环境;(2)锚注支护巷道围岩的位移量均小于锚喷支护对应位置围岩的位移量,所以锚注支护对巷道顶板和两帮起到有效的控制作用。提出并实施了巷道围岩二次注浆技术措施,研究了注浆工艺和注浆参数。实施后巷道围岩变形得到了有效控制。

深部软岩巷道爆破卸压技术及工程应用研究

为控制深部软岩巷道的变形,利用爆破卸压技术,对淮南矿业集团谢桥矿高应力软岩巷道进行了爆破卸压工程试验,充分改变围岩应力状态,使巷道的变形量及稳定时间得到了很好的控制。

深部软岩易风化巷道支护数值模拟研究

针对深部软岩易风化巷道围岩变形破坏的特点及其支护难点,采用理论分析和数值模拟的方法,分析了其巷道变形破坏的机理,认为该类巷道处于高地应力环境,围岩自身强度低、承载能力弱,具有流变性,易风化,导致巷道维护困难。控制原则是全断面整体支护、及时封闭,采用高预应力强力锚杆支护将围岩加固成整体,提高围岩强度及其承载能力,有效抵抗流变变形,并及时喷浆封闭围岩阻止风化发展,配以U型钢加强支护,对底鼓严重地段进行反底拱支护的综合支护措施。措施实施后巷道底鼓量降低了67.1%,顶板下沉量降低48.4%,两帮变形量降低52.6%,有效地控制了巷道的失稳。

谢一矿深部软岩巷道位移破坏特征研究

基于谢一矿望峰岗井-817m消防材料库硐室的支护技术及地质条件，采用多点位移计及钻孔窥视仪实测巷道围岩变形破坏特征，并结合数值模拟对其进行了分析。结果表明，巷道深部围岩变形随掘出时间的增长具有阶段性，可分为变形移动剧烈阶段（10d左右）、变形移动平缓阶段（10～30d）和变形移动相对稳定阶段（〉30d）；巷道围岩松动圈、破坏区为动态发育过程，且顶板的松动圈范围及破坏区明显大于两帮。在变形相对稳定阶段初期，在实际施工中应采取滞后注浆的措施加固围岩，控制巷道深部围岩变形，抑制巷道围岩的破坏区进一步增大，保持深部软岩巷道围岩的稳定性。

深部软岩特性对底臌的影响与数值模拟研究

通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和力学特性试验分析了某矿深部软岩的矿物成分、微观结构及力学特性,研究了岩石的水理作用,界定了巷道的底臌类型,并采用有限差分FLAC3D分析不同状态下围岩性质及结构对巷道底臌的影响。研究表明,岩体与水耦合作用及支护方式是导致底臌的主要因素,提出了控制膨胀性底臌关键是防止水和岩体的耦合作用,改善围岩结构,提高岩体强度。

深部软岩巷道变形机理及卸荷本构关系研究

安全发展是构建和谐社会的前提,煤炭行业的安全生产又是重中之重,随着煤炭开采深度的增加,巷道支护和管理方面存在的困难将无疑超过浅部其他水平,深部高应力软岩巷道围岩控制成为制约矿井安全、高效生产的主要因素之一。当前我国在安全生产理论方面的研究成果已经对煤矿的安全生产产生了重大影响,并取得卓越成就,而安全生产科学理论的贯彻执行必须借助技术、设备和工艺的创新性研究,并在现场实践中得以全面应用。本文通过对深部巷道开挖过程的应力调整机理、破坏特性及本构关系的研究,提出以锚杆、锚索为主的深部软岩巷道联合支护控制对策,并强调支护材料性能的互补性和施工的适时性。经现场实践,取得良好支护效果。