大倾角煤层巷道围岩稳定性分析与控制技术研究

发布时间：2020-08-13 10:43

【摘要】：煤炭是我国主要的能源之一,而煤层倾角在35°以上的煤炭储量约占煤炭总储量的17%。由于大倾角煤层的特殊构造特征,其回采过程中的巷道围岩控制十分困难,是制约大倾角煤炭资源安全、高效开采的难题。本文采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场试验的方法对大倾角煤层巷道围岩稳定性及控制技术进行深入研究。主要工作如下:(1)基于大倾角煤层巷道工程地质特征,建立了梯形截面巷道围岩应力-变形分析的力学模型,利用保角变换和复变函数理论,推导获得大倾角煤层巷道围岩应力与变形的解析解,从理论上揭示了大倾角梯形煤层巷道围岩应力分布与变形特征。理论计算结果表明:大倾角巷道高帮侧变形大于低帮侧,顶板变形大于底臌;围岩整体变形呈现出两帮移近量顶板下沉量底臌量的变化特征。围岩水平应力和垂直应力最大值均在巷道上角;其次为高帮侧的上部。通过数值模拟分析了大倾角煤层巷道围岩稳定性的影响因素,得到了大倾角巷道的破坏特征。综合分析得到了大倾角巷道围岩的应力集中程度高和变形破坏的区域性特征明显的两个显著特点。(2)基于大倾角巷道围岩应力分布与变形破坏特征,提出了大倾角巷道围岩“主被联合,提升强度,局部加固,协调变形”的控制思想。即采用锚杆(索)和高强支柱联合支护的方式提升支护强度,并对巷道局部采用恒阻支柱进行加固,同时协调主被动支护的变形。(3)开发了大倾角巷道支护的机械式高强恒阻支柱,建立了其在额定工作阻力状态下的力学分析模型,分析了柱杆、柱筒的内外径、间隙距离、弹性模量、柱杆抗压强度、柱筒抗拉强度、钢珠的半径和个数等关键参数对支柱工作阻力的影响规律,揭示了大倾角巷道高强恒阻支柱工作的力学机理。(4)提出了大倾角巷道围岩稳定性控制的新型锚杆-锚索-高强支护的主被动联合支护方案与参数,并对支护方案进行了数值模拟验证。结果表明:相较于与单独的锚杆-锚索支护,主被动联合支护能对巷道的上角起到良好的支撑作用,极大的降低了巷道上角部位的破坏,同时由于巷道上角得到了有效的保护,巷道高帮侧受力降低,减少了两帮的挤进量,对底臌也有良好的控制。(5)在山西庞庞塔煤矿5-1081巷道进行了现场工业性试验与监测,现场试验结果表明该新型的主被动联合支护能够有效地控制回采过程中巷道变形破坏发展。同时在对巷道锚杆受力实时检测结果也表明,该支护方案能够降低锚杆的受力,实现了锚杆(索)、支柱、围岩的协调变形。根据现场试验,最终形成大倾角巷道围岩稳定性控制提供了一套的新的技术体系。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD322;TD353
【图文】：

图 1-1 组合梁作用原理Figure 1-1 Action principle of composite beam（2）悬吊理论[35-37]悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部层上，在预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范围内岩体锚杆的锚固力应大于其所悬吊的岩体的重力。如图 1-2 所示。悬吊理的锚杆支护理论，能较好地解释锚固顶板范围内有坚硬岩层时的锚图 1-2 悬吊理论示意图

博士学位论文图 1-1 组合梁作用原理Figure 1-1 Action principle of composite beam理论[35-37]认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬预加张紧力的作用下，每根锚杆承担其周围一定范固力应大于其所悬吊的岩体的重力。如图 1-2 所示护理论，能较好地解释锚固顶板范围内有坚硬岩

能较好地解释锚固顶板范围内有坚硬图 1-2 悬吊理论示意图Figure 1-2 Schematic diagram of suspension theory理论[38]认为：在沿巷道周边布置锚杆时，在预紧力的用区，当锚杆间距较小时，应力作用区相互耦续的挤压加固带，如图 1-3 所示，此挤压加固抗巷道围压，控制围岩的有害变形。

【参考文献】

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7 伍永平;刘孔智;

本文编号：2791898