深部采区高强锚注自成巷控制机理研究
发布时间：2020-09-01 11:34
传统长壁式开采需要留设护巷煤柱,受到“三高一扰动”的影响,护巷煤柱围岩松散破碎,自身承载能力弱,支护构件失效频繁,巷道顶板网兜严重、帮部剧烈鼓出、底臌大变形,巷道频繁维护与返修,同时回采巷道留设的护巷煤柱,不仅造成煤炭资源的严重浪费,还造成工作面围岩应力集中,引发工作面冲击地压、煤与瓦斯突出等重大安全事故,严重制约着煤矿安全、高产和高效的运营。针对上述问题,明确深部采区自成巷短臂梁破坏机理,开展深部采区自成巷锚注机理和控制效果研究,为深部采区自成巷支护提出针对性控制措施,对煤矿安全高效生产具有重要的理论与工程意义。本文以新汶矿区孙村煤矿为工程背景,采用理论分析、数值试验、室内试验和现场试验研究方法,研究深部采区自成巷锚注控制机理,主要研究工作及成果如下:(1)深部采区锚注自成巷顶板破坏机理研究基于自成巷原理,自成巷顶板结构具有明显阶段性的特点,将自成巷顶板划分为四个区域,即切缝准备区、切缝实施区、切缝影响区和切缝稳定区,同时基于上限分析理论和能量转化平衡原理,建立自成巷顶板不同区域的力学分析模型,推导了不同区域分阶段自成巷短臂梁冒落曲线方程,明确了不同参数下切顶短臂梁冒落变化规律。随着岩体粘聚力c、注浆锚索预应力p、临时支护力F和巷帮围岩强度pt的增加,切顶短臂梁冒落范围逐渐向巷帮方向转移,当注浆锚索间距d、围岩应力q、切顶角度θ和应力集中系数λ减小时,切顶短臂梁冒落范围逐渐向巷帮方向转移,岩体内摩擦角φ增大,切顶短臂梁b呈增大趋势,但差距不明显,而切顶短臂梁a呈明显减小趋势。(2)深部采区自成巷锚注控制机理研究考虑注浆围岩参数和注浆锚索支护参数等因素影响,推导了锚注复合体力学参数计算公式,揭示了锚注复合体力学参数变化规律。锚注复合体粘聚力与注浆围岩粘聚力、注浆围岩内摩擦角和锚索预紧力正相关,与间排距负相关,锚注复合体内摩擦角与注浆围岩内摩擦角和注浆锚索预紧力正相关,与间排距负相关。开展了注浆体、锚注体力学试验和注浆锚索锚固性能试验,结果表明水灰比和粒径对破碎围岩注浆体强度影响较大,水灰比0.5:1注浆体强度和注浆锚索剪应力较大,粒径10～15mm注浆体强度较小,锚注体强度与预紧力和支护构件数量呈正相关。(3)深部采区自成巷锚注复合体承载强度研究基于自成巷顶板围岩结构,分析了自成巷锚注复合体承载结构的几何参数,建立了自成巷锚注复合体承载强度力学模型,推导了自成巷锚注复合体承载强度计算公式,揭示了自成巷锚注复合体承载强度变化规律。自成巷锚注复合体承载强度与锚注复合体粘聚力、内摩擦角、预紧力、注浆锚索长度和直径呈正相关性,与注浆锚索间排距呈负相关性;通过采用注浆加固技术,对注浆围岩施加高预紧力,选取合理的注浆锚索间距和直径,是提高自成巷稳定性的有效途径。(4)深部采区自成巷锚注支护数值试验研究考虑顶板切缝高度、切缝角度、注浆加固范围和注浆加固参数等因素影响,设计了16种对比方案,开展了深部采区自成巷锚注支护数值对比试验,分析了巷道位移和围岩应力的变化规律,揭示了不同因素影响下深部采区自成巷锚注控制机制。研究表明:随着注浆加固范围和注浆加固等级的增加,自成巷位移量和实体帮竖向应力、水平应力呈降低趋势;随着切顶高度和切顶角度的增加,自成巷不同部位最大位移量和围岩峰值应力呈现减小的趋势,综合考虑施工情况选择切顶高度8m和切顶角度20°。(5)深部采区自成巷锚注支护模型试验研究开展了自成巷锚注支护地质力学模型试验,分析了锚注自成巷围岩应力和位移演化规律,明确了锚注自成巷围岩控制效果。研究表明:随着距自成巷实体帮距离增大,侧向支承压力呈现出先增大后逐渐减小的分布规律,锚注自成巷的侧向支承压力峰值为0.91MPa,距实体巷帮的距离为0.1m;随着开挖进尺的增加,自成巷顶板内部位移先急剧增加后趋于缓慢,开挖进尺0～100mm范围内,切缝顶板受超前支承压力影响,位移显著增加;工作面开挖到监测断面后,顶板上覆岩层随着切缝顶板回转下沉,位移进一步增加,自成巷顶板最大变形量分别为2.5mm,表明锚注自成巷的围岩控制效果显著。(6)深部采区自成巷锚注支护现场应用研究以孙村煤矿2215上平巷为工程依托,进行了浆液扩散规律试验、注浆锚索锚固性能试验和巷道顶板分区等现场试验,并对单体支柱受力、注浆锚索受力和顶板离层进行监测,验证了深部采区自成巷锚注支护控制效果。研究表明:孙村煤矿2215上平巷采用高强锚注自成巷技术,巷道顶板围岩裂隙充填密实,注浆锚索锚固力高,顶板离层值较小,减小了工作面超前支护范围,工作面矿压显现不明显,自成巷围岩控制效果显著。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD353
【部分图文】：
均开采深度为１０３３ｍ，煤层厚度２．３？３．４７ｍ，平均煤层倾角为２４°，煤层稳定，结构较复杂，煤层含１？砂岩，底板为粉砂岩，煤层顶底板综合柱状图如图２．面是二采区第二十一个工作面，该工作面东临Ｆ１断断层，北部煤未进行开采，回采工作面倾斜长度１７５ｍ，次采全高走向长壁采煤法，顶板全部垮落。逡逑岩性邋柱状阉逦厚度／ｍ逦岩性描述逡逑砂－君逦？？逦：逦２５，０邋？３７，０逡逑ｉ！ｉｉ媝醒画逦３0逡逑丨媝⿱p媝嫇╁卧职咨疑义稀ⅲぃ海ⅲ哄五噶＃霞嵊插义希苠澹驽澹危哄澹澹埃保浚埃峰澹囀狈治沐义厦海卞危埽撸邒p｜｜｜／邋—0４一－力劣质煤逡逑Ｉ—ｌ邋ｉｆ逡逑－＾２逦厚皮不稳走，含夹矸逡逑￣
，，粉砂岩，底板为粉砂岩，煤层顶底板综合柱状图如图２．２。逡逑作面是二采区第二十一个工作面，该工作面东临Ｆ１断层，断层，北部煤未进行开采，回采工作面倾斜长度１７５ｍ，走一次采全高走向长壁采煤法，顶板全部垮落。逡逑
邋／逡逑＞逡逑图２．１孙村煤矿位置图逡逑Ｆｉｇ２．１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｓｕｎｃｕｎ邋ｃｏａｌ邋ｍｉｎｅ逡逑该矿二煤层平均开采深度为１０３３ｍ，煤层厚度２．３？３．４７ｍ，平均煤厚２．５ｍ，煤层逡逑普式系数b6１．３１，煤层倾角为２４°，煤层稳定，结构较复杂，煤层含１？２层夹石，煤层逡逑直接顶为砂岩和粉砂岩，底板为粉砂岩，煤层顶底板综合柱状图如图２．２。逡逑２２２１综采工作面是二采区第二十一个工作面，该工作面东临Ｆ１断层，西至煤柱保逡逑护线，南至Ｆ１０－５断层，北部煤未进行开采，回采工作面倾斜长度１７５ｍ，走向长度１０８９ｍ。逡逑工作面采用综采一次采全高走向长壁采煤法，顶板全部垮落。逡逑岩性邋柱状阉逦厚度／ｍ逦岩性描述逡逑砂－君逦？？逦：逦２５，０邋？３７，０逡逑ｉ！ｉｉ媝醒画逦３0逡逑丨媝⿱p媝嫇╁卧职咨
本文编号：2809677
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD353
【部分图文】：
均开采深度为１０３３ｍ，煤层厚度２．３？３．４７ｍ，平均煤层倾角为２４°，煤层稳定，结构较复杂，煤层含１？砂岩，底板为粉砂岩，煤层顶底板综合柱状图如图２．面是二采区第二十一个工作面，该工作面东临Ｆ１断断层，北部煤未进行开采，回采工作面倾斜长度１７５ｍ，次采全高走向长壁采煤法，顶板全部垮落。逡逑岩性邋柱状阉逦厚度／ｍ逦岩性描述逡逑砂－君逦？？逦：逦２５，０邋？３７，０逡逑ｉ！ｉｉ媝醒画逦３0逡逑丨媝⿱p媝嫇╁卧职咨疑义稀ⅲぃ海ⅲ哄五噶＃霞嵊插义希苠澹驽澹危哄澹澹埃保浚埃峰澹囀狈治沐义厦海卞危埽撸邒p｜｜｜／邋—0４一－力劣质煤逡逑Ｉ—ｌ邋ｉｆ逡逑－＾２逦厚皮不稳走，含夹矸逡逑￣
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邋／逡逑＞逡逑图２．１孙村煤矿位置图逡逑Ｆｉｇ２．１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｓｕｎｃｕｎ邋ｃｏａｌ邋ｍｉｎｅ逡逑该矿二煤层平均开采深度为１０３３ｍ，煤层厚度２．３？３．４７ｍ，平均煤厚２．５ｍ，煤层逡逑普式系数b6１．３１，煤层倾角为２４°，煤层稳定，结构较复杂，煤层含１？２层夹石，煤层逡逑直接顶为砂岩和粉砂岩，底板为粉砂岩，煤层顶底板综合柱状图如图２．２。逡逑２２２１综采工作面是二采区第二十一个工作面，该工作面东临Ｆ１断层，西至煤柱保逡逑护线，南至Ｆ１０－５断层，北部煤未进行开采，回采工作面倾斜长度１７５ｍ，走向长度１０８９ｍ。逡逑工作面采用综采一次采全高走向长壁采煤法，顶板全部垮落。逡逑岩性邋柱状阉逦厚度／ｍ逦岩性描述逡逑砂－君逦？？逦：逦２５，０邋？３７，０逡逑ｉ！ｉｉ媝醒画逦３0逡逑丨媝⿱p媝嫇╁卧职咨
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