Analysis for interaction of supports and surrounding rock of gateways in longwall minging

Gateway supporting in long wall mining has been a problem that restricts the mine production and safety, the paper sets up an interaction model between support and surrounding rock (rock mass structure) and probes the elementary theory about ground pressure behaviors of gateway. Based on the analysis of supporting theories, some new viewpoints about gateways supporting and ground pressure controlling are put forward.

深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

收敛-约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法,是目前分析围岩-支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛-约束法的基本原理,总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程,理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线,分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征;随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加,喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大;随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小,锚杆的支护压力显著增加;U型钢支架的排距越小及材料强度越大,其提供的支护压力越大。采用FLAC^(3D)内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型,建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型,计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线,分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性,验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大,采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守,支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求,支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

动载扰动下特厚煤层巷道破坏机理及其控制技术研究

为改善园子沟煤矿特厚煤层巷道在高应力、强动载扰动下支护效果,以园子沟煤矿1102007工作面为工程背景,通过现场调研测试、数值模拟、理论分析及工程实践的方法,对巷道支护进行优化。通过数值模拟,分析了巷道围岩在动载扰动下变形破坏效应,巷道围岩浅部支护构件易损坏,深部围岩变形破坏严重;通过理论分析,提出了“长短锚杆索梯次支护+帮顶M型钢带整体支护+弱结构构建”组合支护技术。现场实践结果表明,采用新的支护组合体系后,可以有效控制巷道围岩稳定性。

基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定

延安子长矿区极薄煤层分布广泛,因赋存煤炭为稀缺配焦煤,回采价值较高,但该矿区未有过开采极薄煤层的先例,开采过程中面临支架选型不合理的问题,且国内在该方面的研究成果较少,因此,以禾草沟二号煤矿极薄煤层综采工作面为背景,通过数值模拟、理论分析等研究了极薄煤层综采工作面顶板覆岩结构破断特征及其演化过程,建立了采场顶板岩梁断裂前后力学解析模型,获得了极薄煤层综采工作面直接顶周期破断距,确定了合理支架工作阻力。结果表明:极薄煤层工作面开采初期顶板垮落后会较快的对上覆岩层形成支撑,至顶板极限跨距后,直接顶与基本顶周期破断,且基本顶破断位置位于直接顶破断线前方,两者间存在离层空间,共同回转下沉;工作面液压支架主要受直接顶回转载荷作用,其作用载荷为3 980.89 kN,确定支架选型为ZZ4000/6.5/13D四柱支撑掩护式液压支架;现场应用后,可以有效发挥支架支护性能,满足采场围岩控制要求。研究成果为国内极薄煤层开采工作面支架选型提供了一定的参考。

动压影响区松软留顶煤巷道支护技术研究

厚煤层开采工作面回采巷道断面普遍较大,随着矿井采掘深度和开采范围的不断增大,回采巷道围岩控制难度增加,这就需要做好动压巷道围岩变形控制。本文以某煤矿11307回顺为研究对象,分析动压影响下松软留顶煤巷道围岩变形特征及影响因素,并提出具体支护方案。总体来说,采用锚杆索、注浆、钢筋托梁及金属网组合支护顶板,采用锚杆索、金属网组合支护巷帮。工程应用后,11307回顺巷道位移变形量较小,可满足使用需要。

煤泥岩条件下大断面巷道支护技术研究

针对某矿进风立井硐室群区马头门巷道的支护难题,综合运用现场调研、文献检索、理论分析等研究方法,研究了巷道所处区域的矿压特征和围岩变形破坏特征,分析了该巷道原支护方案的缺陷及应该优化的方向,设计了一套“高预应力锚索整体支护方案”,并成功进行了工程实践。掘进支护后的矿压观测表明,将优化后的支护方案实施后,巷道顶底板移近量、两帮移近量、顶板离层值均得到了有效控制,实现了煤泥岩条件下大断面巷道的有效支护,保障了矿井安全生产。

动压影响下软岩巷道围岩控制技术研究

3506回风巷围岩为软岩且巷道受本采面、邻近采面采动压力影响,围岩变形量较大且局部位置支护体系面临失效问题,给巷道后续使用带来较大影响。对回风巷现场条件及围岩变形特征分析基础上,提出采用高强预紧力锚杆(索)+底角锚杆+巷帮锚索方式进行支护,通过高强预紧力锚杆(索)强化顶板及巷帮围岩支护强度,提高支护体系与围岩耦合效果;采用底角锚杆可降低甚至阻隔顶板及巷帮压力对底板影响,提高底板抗底鼓能力;巷帮锚杆可将巷帮应力向深部转移,减少巷帮表面位移量。现场应用后,3506回风巷在动压影响下围岩变形量始终在允许范围内,为巷道正常使用创造良好条件。

动压影响下巷道围岩稳定性分析及支护优化方案研究

利用有限差分软件分析围岩的应力、变形及塑性区的演化规律,提出支护方案,结合现场试验解决围岩变形过大的问题,揭示巷道变形失稳原理。取得如下结论:受动压影响,顶板周期破断并释放大量的弹性势能,随着回采工作面的前进而不断地向前方和下方传递,导致实体煤柱上方与两帮的中部形成高应力场,出现了顶板下沉、底鼓开裂与两帮位移严重等破坏特征,产生结构弱面,并最终形成围岩破碎区;针对支护强度不足的问题,利用锚索+钢带+钢筋网的支护体系进行加固,根据模拟及现场试验结果表明,巷道变形较之前显著变小,锚索能够稳定发挥支护作用,围岩控制效果较好。

竹林山煤业大断面松软煤层临空动压巷道支—卸协同控制技术实践

山西阳城阳泰集团竹林山煤业有限公司回采巷道采用双巷布置,沿底板掘进,煤层节理裂隙发育,整体强度低。其中的一条巷道为临空留巷巷道,在本工作面采动影响下,巷道围岩出现大变形,无法满足下一个工作面回采的断面要求,不得不进行扩刷返修。对该矿1406运输顺槽(临空巷道)受采动影响期间围岩大变形机理进行了分析,提出了“高强螺纹钢锚杆+高强锚索+钢筋梯子梁+金属网+水力压裂切顶卸压”为核心的大断面松软煤层临空动压巷道支—卸协同控制方案,并应用于1405运输顺槽围岩控制中。现场的巷道矿压监测结果表明,该方案能够有效控制巷道围岩变形,确保工作面回采期间巷道断面的要求。

巷道吸能支护的减震防冲效应分析

冲击地压是煤矿开采的主要动力灾害,巷道吸能支护是防御冲击地压灾害的新型支护方式和有效手段。吸能支护是在刚性支护基础上附加阻尼耗能构件形成的巷道支护,基于巷道顶板与支护相互作用的动力学模型,分析了在巷道刚性支护与吸能支护作用下的顶板-支护系统动力响应,同时就阻尼构件在吸能支护上的分布特征对减震防冲效应的影响进行了分析,研究了阻尼构件在支护中的串联、并联、混联3种分布特征下的支护吸能减震防冲效应。结果表明:相比于刚性支护,吸能支护不仅能有效抑制顶板的冲击响应,还对支护体的冲击响应具有自保护能力;串联吸能支护模式与混联吸能支护模式对顶板冲击位移的控制及支护体加速度的抑制作用相当,且均优于并联吸能支护模式,其中,在串联吸能支护模式下,顶板冲击位移可下降约89%,支护体加速度可下降约55%。进一步优化串联吸能支护模式可知,当采用支护体上端串联布置吸能构件时,构件吸能效果发挥的最好,并且支护体的变形、应力、等效塑性应变变化平稳且幅值较小,同时相比于在下端以及两端串联吸能构件时支护等效塑性应变分别下降约77%和96%。该研究为冲击地压动力灾害的防冲吸能支护动力可靠性设计提供思路。

初支混凝土硬化特性与围岩流变耦合作用机制

喷射混凝土作为初期支护重要组成部分广泛应用于隧道工程。深埋软岩隧道开挖时,喷射混凝土硬化特性及围岩流变效应均于时间有关,使得围岩变形及结构受力错综复杂。基于此,该文建立了考虑喷射混凝土硬化特性与围岩流变效应的耦合解析模型,阐明了流变岩体隧道“支护-围岩”动态演化机制,分析了喷射混凝土设计参数、隧道工程参数及围岩流变特性等对“支护-围岩”动态作用的影响机制,并通过具体实例探讨了不同支护类型的时效支护特性。分析表明:喷射混凝土施作初期刚度较低,在围岩流变特性及开挖空间效应下围岩变形速率大,而喷射混凝土承担荷载较不考虑其硬化特性时要小,对于流变岩体隧道宜采用早强混凝土限制围岩早期变形;围岩流变荷载与喷射混凝土刚度均随时间逐渐增大,不考虑围岩流变效应会低估喷射混凝土对围岩变形控制效果及所承担荷载水平;型钢钢架+喷混支护体系刚度较大有利于限制围岩变形,格栅钢架+喷混支护刚度较小更利于围岩应力释放;隧道支护时机的选择应综合考虑围岩流变效应、支护类型、喷混硬化特性、隧道掘进速率的影响,进一步给出了不同支护类型的支护时机-掘进速度的极限关系曲线。研究成果可为类似隧道工程支护设计、施工提供理论依据。

巷道动力失稳下围岩松动特征分析及支护参数选取

针对煤矿开挖导致的巷道动力失稳问题,为了提升煤矿巷道安全性,对巷道动力失稳下围岩松动特征分析及支护参数选取问题进行研究。给出乌东煤矿工程概况,在巷道设3个监测点,当动力失稳现象出现时,分析巷道围岩物理学性能,对煤矿巷道动力失稳下巷道表面位移进行监测,并进行实验分析,通过实验结果实现围岩支护参数选取。实验结果表明,动力失稳现象会导致围岩岩样的抗压强度变低;在距离工作面距离为90 m时,顶底移近与两帮收敛的变形速率最大;当监测点的监测日期逐渐上升,顶板的锚杆受力与锚索受力不断加大,其中锚索受力相对较高,而锚杆下帮受力要低于锚索上帮受力。按照实验结果设计支护参数,以防止围岩松动变形对巷道带来影响。

基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。

分离式双隧道围岩支护与沉降规律研究

针对分离式双隧道暗挖施工过程存在的问题,依托于广西高良隧道工程对分离式双隧道开挖过程中双隧道拱顶沉降、底部变形、洞周收敛、初支结构应力和二衬结构应力等指标进行分析。总结分离式隧道开挖过程中对隧道支护的影响,得到洞周变形和拱顶沉降等,从而对隧道周围岩石拉压应力分布及二衬结构拉压应力分布进行分析。

桑树坪二号井动压巷道支护机理与控制技术

针对韩城矿区桑树坪二号井3309运输巷围岩变形严重的问题,采用数值模拟、现场实测相结合的方法对3308工作面采动影响引起的3309运输巷围岩破坏范围进行了研究并提出围岩控制方案。研究结果表明,巷道顶板岩层的结构十分复杂,离层现象频繁,使得顶板更容易发生破坏,同时工作面的回采,3309运输巷周围应力明显增大,这种作用在巷道围岩中的应力集中,等效于巷道覆盖层厚度的增大,会导致巷道扩容变形增大,巷道周围裂隙扩展,巷道围岩破碎。通过对受采动影响时巷道变形原因以及锚杆支护作用机理进行分析,提出了围岩控制方案并进行了现场试验。结果表明,围岩变形得到了有效控制。

隧道仰拱的力学行为研究

本文通过大比例尺模型试验与有限元分析相结合的方法研究了隧道仰拱的力学行为。结果表明，隧道仰拱对提高隧道结构的承载力，抑制围岩内塑性区的扩展，约束隧道洞周位移的发展，提高衬砌结构的安全度等方面都有非常重要的作用。

破碎围岩动压巷道锚索支护与注浆加固技术研究

为了解决深部破碎围岩动压巷道治理难题,运用UDEC数值计算软件,揭示了破碎围岩动压巷道的变形破坏机制,提出了相应的控制对策;结合现场实际,最终提出了基于锚索与注浆的支护加固方案,并进行了现场应用及效果监测。数值计算及监测结果表明:巷道围岩的变形破坏是渐进发展的,局部关键部位的破坏将导致围岩其他部位失稳,帮部的控制对巷道整体的稳定性起到了关键性作用,应为支护加固的重点;加固方案实施后,在工作面回采期间,支护体系受力状态良好,锚索受力处于较佳水平,巷道围岩变形明显减小,最大顶板下沉量和两帮收敛量分别为75 mm和309 mm,相比加固前分别减少了53.1%和68.5%,最大底鼓量为268 mm,减少了66.5%。基于锚索与注浆的支护加固技术可以保证巷道的长期稳定,保障企业安全生产。

隧道支护结构体系及其协同作用

隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键,也是隧道设计的基本任务,而对支护结构之间相互作用过程和机制的系统认识则是定量化设计的基础.本文从隧道围岩结构性和支护作用的本质特征出发,提出隧道支护具有"调动"和"协助"围岩承载的基本作用,明确了二者的功能分配原则和实现方式,即分别通过超前支护的保障作用、初期支护的核心作用和二次衬砌的安全储备作用共同完成;针对围岩的正面挤出、前倾式冒落和后倾式冒落等三种超前破坏模式,分别给出了相应的超前支护方式和支护效果评价方法;提出初期支护作为隧道围岩附加载荷的主要承担者,包括锚固体系与拱架及喷射混凝土结构,分别通过"调动"和"协助"围岩实现其承载功能,且同时具有"支"与"护"的作用;阐明了二次衬砌结构作为安全储备功能的内涵,建立了二次衬砌结构的载荷分担比率与刚度匹配性、支护时机的关系,并据此给出了二次衬砌结构参数和施作时机的建议值;建立了以围岩变形量S最小和协同度ξ最优为目标,基于超前支护、初期支护和二次衬砌与围岩相互作用三阶段的协同支护优化模型,明确了支护结构体系与围岩、不同支护结构之间以及支护结构要素之间三个层次的协同关系,并提出了隧道支护结构体系协同优化设计方法.

地下工程中支架和围岩相互作用的突变模型

建立了支架和围岩相互作用的突变模型,利用支架刚度和围岩的弱化刚度模量研究了围岩的突变失稳。研究结果从理论上解释了新奥法的支护原理。利用突变模型定量地给出了突变失稳的关键点。当围岩的变形量达到变形关键点以后,围岩就进入了散体区。变形关键点的大小是围岩-支架系统内部因素决定的,与外界条件无关。

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明:考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。