深部窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理及冒顶控制

发布时间：2017-10-14 03:00

  本文关键词：深部窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理及冒顶控制

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【摘要】：深部巷道围岩控制问题是近年来巷道支护工程领域的热点研究问题。由于开采深度的增加,导致深部巷道围岩的变形破坏机理和特征与浅部巷道围岩显著不同,巷道围岩的稳定性进一步恶化,导致现有的巷道支护理论与技术并不能很好的适应深部巷道,造成深部巷道维护困难,支护成本急剧增加,同时引起深部开采的巷道冒顶事故增加。巷道围岩变形破坏的实质是由于围岩塑性区的形成和发展引起的。目前,巷道围岩塑性区理论认为围岩塑性区的形态主要为圆形或椭圆形等较为规则的形态,其主要适用于浅部等应力场水平不大的巷道。而对于深部巷道来说,尤其是深部沿空巷道,由于巷道埋深的加大,围岩不再处于均匀应力场,其围岩的塑性区不再是传统理论认为的圆形或椭圆形等规则形状,导致此类巷道出现了新的支护难题。因此,寻求适用于深部巷道围岩的控制理论和控制技术是亟待解决的问题。河南能化焦作煤业赵固二矿为年产量2.4Mt的高产高效现代化矿井,主采煤层为2-1煤,煤层平均埋深700m,煤层厚度为6.0m~6.59m,平均6.32m,巷道掘进过程中巷道断面尺寸宽度4.8m,高度3.3m。为了保证巷道的稳定性,赵固二矿一直以来都采用30m左右的大煤柱护巷,仅煤柱的煤炭损失就达52万t,直接经济损失6.2亿元,大煤柱护巷虽然对巷道的稳定起到了一定的作用,但是却给企业造成巨大的经济浪费。为了提高资源回收率,该矿11030工作面运输巷采用8m窄煤柱沿空掘巷,导致巷道在掘进期间顶板发生非均匀下沉、两帮收敛严重、底鼓现象突出、支护体支护失效等现象,对该巷道的安全掘进产生了重要影响。因此,本论文以赵固二矿深部窄煤柱巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场测试、实验室实验及现场试验等方法,以深部巷道围岩蝶形塑性区分布形态为主线,系统研究了深部巷道围岩蝶形塑性区形成的力学机制,建立了深部巷道围岩蝶形塑性区理论;数值模拟研究了煤柱尺寸对巷道围岩主应力方向的影响,及主应力方向对蝶形塑性区分布形态的影响,揭示了深部窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理。以此为基础,探究了深部巷道围岩蝶形塑性区形态的“低阻不变”性,分析研究了深部窄煤柱巷道蝶叶型冒顶机理,提出了基于蝶形塑性区形态的柔性冒顶控制技术,形成了如下创新性成果和主要结论:1.阐明了深部巷道围岩蝶形塑性区形成的力学机制。(1)当深部巷道所处的非均匀应力场的非均匀程度越高,即侧压系数越远离1,其围岩的最大主偏应力和最小主偏应力的绝对值越大,两者之间形成的偏应力差越大;(2)以弹塑性力学中的圆孔应力解和塑性力学的偏应力理论为基础,利用莫尔库仑强度准则,推导了非均匀应力场下圆形巷道围岩塑性区边界方程,获得了表征非均应力场条件下围岩偏应力与圆形巷道围岩塑性区半径关系的表达式:(3)深部巷道围岩蝶形塑性区的形成,是由于围岩中存在高偏应力差,高偏应力差越大,深部巷道围岩越容易形成蝶形塑性区。应力环境和围岩力学参数是深部巷道围岩蝶形塑性区形成的两个必要条件,与巷道断面形状无关。围岩内聚力和内摩擦角与蝶形塑性区尺寸大小呈反比关系,而巷道尺寸与蝶形塑性区尺寸大小呈正比关系;(4)深部构造应力场巷道围岩塑性区呈竖蝶形分布,巷道围岩肩部位置的塑性区半径最大,顶部位置塑性区半径次之,而帮部位置塑性区半径最小,深部采动应力场导致巷道围岩塑性区呈横蝶形分布,巷道围岩肩部位置的塑性区半径最大,帮部位置塑性区半径次之,而顶板岩层塑性区半径最小。2.揭示了深部窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理。(1)深部巷道围岩蝶形塑性区的蝶叶具有一定的方向性,当最大最小主应力处于水平垂直方向时,蝶叶偏移角在45°附近(偏差在±5°以内);当主应力方向发生变化时蝶形塑性区蝶叶方向随主应力旋转相应角度,而使蝶形塑性区的四个蝶叶位于巷道围岩的不同位置;(2)煤柱尺寸会对巷道围岩的最大主应力和最小主应力方向产生重要影响。当巷道煤柱尺寸较小时,巷道围岩主应力方向会发生较大偏转。而煤柱尺寸较大时,巷道围岩主应力方向会发生较小偏转。因此,窄煤柱巷道会因煤柱尺寸较小而使巷道围岩的主应力方向发生较大的偏转;(3)围岩主应力方向发生偏转时,巷道蝶形塑性区的分布形态会随之发生变化,导致蝶形塑性区的蝶叶处于巷道围岩的不同位置:(1)当巷道围岩主应力偏转角度小于40°时,巷道围岩蝶形塑性区的四个蝶叶分别位于巷道左侧顶板岩层、左帮上部围岩、右帮下部围岩及右侧底板岩层内;(2)当巷道围岩主应力偏转角度介于50°~80°时,巷道围岩蝶形塑性区的其中两个蝶叶位于巷道顶板岩层、其余两个蝶叶右帮下部围岩及右侧底板岩层内;(3)当巷道围岩主应力偏转角度介于100°~130°时,巷道围岩蝶形塑性区的其中两个蝶叶位于巷道顶板岩层、其余两个蝶叶左帮下部围岩及左侧底板岩层内;(4)当巷道围岩主应力偏转角度大于140°时,巷道围岩蝶形塑性区的四个蝶叶分别位于巷道右侧顶板岩层、左帮下部围岩、右帮上部围岩及左侧底板岩层内。(4)围岩塑性区尺寸与围岩变形量呈正相关性,塑性区尺寸较大,围岩的变形量较大,巷道围岩蝶形塑性区的分布形态和围岩的总体变形形态基本一致;(5)揭示了赵固二矿11030工作面运输巷非均匀变形破坏机理,该巷道8m窄煤柱会使巷道所处位置围岩的主应力出现了明显的应力集中,形成了高偏应力环境,使围岩形成了蝶形塑性区;同时,8m煤柱会使围岩主应力方向发生约160°的偏转,因此导致巷道围岩蝶形塑性区的四个蝶叶分别位于巷道煤柱侧顶板岩层、煤柱帮煤体、煤壁侧底板岩层及煤壁帮煤体内,使得蝶叶塑性区所处位置的围岩变形量相比于其它位置的围岩变形量较大,最终导致11030工作面运输巷围岩呈现明显的非均匀变性破坏特征。3.提出了基于蝶形塑性区形态的柔性冒顶控制技术。(1)由于现有工程技术所能够提供的支护阻力与深部巷道围岩所受应力场不在同一数量级上,属于较低的支护阻力,导致深部巷道围岩蝶形塑性区主要受原岩应力场和采动应力场的叠加应力场控制,现有支护技术所能提供的支护阻力对围岩蝶形塑性区的影响作用甚微。因此可以认为在现有支护工程技术水平下,深部巷道围岩蝶形塑性区具有“低阻不变”性;(2)对于深部窄煤柱巷道而言,由于巷道围岩蝶形塑性区的蝶叶会位于巷道围岩的不同位置,而使巷道围岩不仅出现非均匀变性破坏特征,同时会使巷道围岩出现大变形,最终导致巷道顶板下沉严重,锚索无法适应围岩大变形而发生冒顶;(3)由于蝶形塑性区具有“低阻不变”性,因此在进行支护设计时,应将支护重点从“控制围岩变形”转到“防止顶板冒顶”上来,使支护体适应塑性区岩体的大变形,提高蝶叶塑性区内岩体自稳能力,防止冒顶事故的发生;(4)形成了以围岩蝶形塑性区分布形态为基础的柔性冒顶控制技术:利用具有大延伸率的柔性支护材料代替常规锚索控制顶板塑性区破坏深度大的岩层,充分发挥柔性支护材料的变形能力,在围岩变形的过程中不破断失效,提高顶板发生塑性破坏岩层的稳定性,防止顶板发生冒顶事故;(5)在11030工作面运输巷进行了基于蝶形塑性区形态的柔性冒顶控制技术现场工业性试验,试验结果表明,柔性锚杆可以很好的适应顶板的持续下沉,防止顶板冒顶。虽然顶板采用柔性锚杆-锚杆支护协调变形支护顶板下沉量依然较大,但基于回采期间窄煤柱回采巷道变形量将继续增大,使用延伸率大的柔性锚杆能够保证巷道安全,减小巷道冒顶风险。
【关键词】：偏应力场 蝶形塑性区 窄煤柱巷道 非均匀变性破坏
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD353
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 引言15-33
• 1.1 问题的提出15-17
• 1.2 国内外研究现状17-29
• 1.2.1 深部巷道围岩应力场分布特征研究现状17-18
• 1.2.2 巷道围岩塑性区理论研究现状18-22
• 1.2.3 深部沿空巷道围岩稳定性研究现状22-24
• 1.2.4 巷道冒顶机理研究现状24-25
• 1.2.5 巷道围岩控制理论及技术研究现状25-28
• 1.2.6 研究现状综述28-29
• 1.3 论文研究内容与研究方法29-33
• 1.3.1 主要研究内容29-30
• 1.3.2 研究方法与技术路线30-33
• 2 深部巷道围岩蝶形塑性区理论研究33-59
• 2.1 深部巷道围岩应力场特征33-36
• 2.1.1 深部构造应力场特征33-34
• 2.1.2 深部采动应力场特征34-36
• 2.2 深部巷道围岩蝶形塑性区形成的力学机制36-45
• 2.2.1 非均匀应力场圆形巷道围岩应力状态分析37-41
• 2.2.2 深部巷道围岩蝶形塑性区形成机制41-45
• 2.3 深部巷道围岩蝶形塑性区分布特征45-57
• 2.3.1 深部构造应力场巷道围岩蝶形塑性区分布特征45-49
• 2.3.2 深部采动应力场巷道围岩蝶形塑性区分布特征49-53
• 2.3.3 深部巷道蝶形塑性区影响因素分析53-57
• 2.4 本章结论57-59
• 3 深部窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理研究59-83
• 3.1 蝶形塑性区蝶叶的方向性59-61
• 3.2 煤柱尺寸对巷道围岩蝶形塑性区分布特征的影响61-70
• 3.2.1 煤柱尺寸对巷道围岩主应力方向的影响62-63
• 3.2.2 围岩主应力方向对蝶形塑性区分布的影响63-70
• 3.3 深部巷道围岩变形与蝶形塑性区形态的关系70-72
• 3.4 赵固二矿窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理研究72-82
• 3.4.1 赵固二矿窄煤柱巷道非均匀变形破坏特征73-77
• 3.4.2 赵固二矿窄煤柱巷道非均匀变形破坏机理77-82
• 3.5 本章结论82-83
• 4 深部窄煤柱巷道冒顶控制83-101
• 4.1 深部巷道围岩蝶形塑性区的“低阻不变”性83-89
• 4.1.1 支护阻力对深部围岩应力状态的影响83-86
• 4.1.2 支护阻力对蝶形塑性区形态的影响86-89
• 4.2 深部窄煤柱巷道冒顶控制方法89-93
• 4.2.1 深部窄煤柱巷道顶板蝶叶型冒顶机理89-91
• 4.2.2 深部窄煤柱巷道冒顶控制对策91-93
• 4.3 柔性冒顶控制技术93-99
• 4.3.1 柔性锚杆结构93-94
• 4.3.2 柔性锚杆支护性能研究94-97
• 4.3.3 基于蝶形塑性区形态的柔性冒顶控制技术97-99
• 4.4 本章结论99-101
• 5 现场工程试验101-117
• 5.1 工程概况101-104
• 5.1.1 试验巷道概况101
• 5.1.2 支护方案设计101-104
• 5.2 矿压观测及支护效果分析104-113
• 5.2.1 巷道矿压监测104-113
• 5.2.2 支护效果分析113
• 5.3 技术经济效益评价113-115
• 5.4 本章结论115-117
• 6 结论与展望117-121
• 6.1 主要结论117-119
• 6.2 主要创新点119
• 6.3 展望119-121
• 参考文献121-133
• 致谢133-135
• 作者简介135
• 在学期间发表的学术论文135
• 在学期间申请的专利135
• 在学期间获得奖励情况135-136
• 在学期间参加科研项目136

【参考文献】

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本文编号：1028574