大断面巷道交岔点顶板围岩稳定性研究

发布时间：2020-09-22 14:51

　　为了构建完整的井下运煤、排矸、通风等系统,实现煤矿安全高效运转,各种巷道相互连接就会形成交岔点,因此巷道交岔点在煤矿井下广泛存在。同时交岔点相较于一般单条巷道,受两条或多条相交巷道的影响,围岩应力状态复杂,加之交岔点顶板临空面大,使得交岔点顶板的稳定性问题更为突出。因此,全面研究交岔点顶板稳定性以及如何实现交岔点顶板的稳定势在必行。论文是在前人研究的基础上,就大断面交岔点顶板围岩稳定性问题对交岔点围岩应力分布和破坏形式、顶板的梁式力学结构和等效跨度等进行分析;采用快速应力边界法(S-B法)生成初始应力,运用Flac~(3D)着重探究不同断面大小、交叉角度和断面形状对交岔点顶板稳定性的影响规律;结合交岔点顶板支护原则对棋盘井煤矿大断面交岔点进行支护,通过数值模拟和现场监测对支护方案的合理性进行验证。研究表明,巷道断面大小、交叉角度是通过改变交岔点顶板等效跨度来影响交岔点顶板稳定性的,但各因素改变等效跨度的方式不同。巷道宽度会直接改变交岔点顶板的最大等效跨度,巷道高度的增加使巷道两帮极限平衡区范围加大,主、支巷极限平衡区在三角区端端重叠,围岩破坏深度加大,从而对顶板的支撑作用减弱,加大了交岔点顶板的最大等效跨度。而交叉角度越小,交岔点三角区端部破坏深度越大,对顶板支撑减弱,从而改变了最大等效跨度的大小和位置,导致顶板最大位移存在向锐角侧偏移的现象。而巷道断面形状的不同会使周围围岩应力分布不同,拱形顶板可以将顶板压力传递到两帮围岩,就T形交岔点而言,拱形顶板断面比矩形断面表现出更好的稳定性。最后以棋盘井煤矿巷道交岔点为工程背景,提出在原有支护的基础上采用组合锚索对交岔点顶板加强支护,验证结果表明:组合锚索的使用可以将顶板悬吊于深部围岩,缓解交岔点顶板的卸压状况,减轻交岔点锚索载荷,提高支护结构的可靠性。采用组合锚索对顶板加强支护可以提高交岔点顶板围岩的稳定性。
【学位单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD353
【部分图文】：

交岔点,围岩应力,三角区,演化过程

（c）（d）图 1.2 交岔点三角区围岩应力演化过程1.2.2 巷道围岩控制控制理论保证巷道顶板的稳定、避免顶板变形失稳，一直是巷道支护领域研究的重点和难点，国内外学者根据巷道围岩变形破坏特征，探索出大量有用的围岩控制理论成果[35~38]。早期对地应力的认识主要存在于假说阶段，但依然有一定的合理性，对后来的围岩压力的认识有重要意义。1978 年瑞士地质学家海姆提出了一种解释岩石初始应力的假说——海姆假说，认为地下某一点的应力处于个方向相等的静水压力状态，且压力的大小和上覆岩层的容重有关，即 Hhv ，该假说在一定条件下是成立的。1926 年，苏联学者金尼克对海姆假说进行修正，提出了金尼克假说，对于垂直应压力的认识二者是相同的，但金尼克认为水平应力是泊松效应的结果，其值应在海

云图,应力平衡,等值面,垂直应力

（c）21.4MPa （d）20.8MPa图 2.4 应力平衡后垂直应力等值面云图文献[60]也对不同交叉角度的三角区应力分布进行研究，从图 2.5 中可以看出：与交叉角度为 45°时的三角区应力分布相比，30°时的应力分布往深部围岩方向有一定的偏移，压碎区深度更大，集中应力大小有一定程度的降低但二者差距不大。文献中并未对交叉角度对交岔点的影响机理以及造成这种现象的原因进行详细阐述，因此这也是后续章节的研究重点。12345Kα=45°α=30°塑性变形部分弹性变形部分原始应力部分

模型图,水平力,模型,顶板

三角区最外侧围岩往往易发生压剪破坏、压裂破坏或者混合型角区端部及表面将形成卸压区。由于三角区外侧围岩破坏，如果不及时支支撑压力将转移到深部处在弹性状态的围岩区域，破坏深度增大，对顶板的减弱。本节以巷道顶板岩梁模型分析顶板受力情况，基于交岔点顶板最大等论分析交岔点顶板的变形破坏机理。1 顶板岩梁模型分析巷道变形时我们可以把巷道顶板简化为长度为，两端固支、受均布载。事实上巷道掘出后，顶板不仅受到上覆岩层重力 q 的影响，同时还受到水作用。对于层理发育的顶板，由于强度低，极易离层为较薄的分层顶板，水作用则会增加顶板岩梁的弯曲，则不能忽略水平力 N 的影响，特别是此类巷造应力影响显著时，应重视水平力 N 的作用，此时可将分层顶板简化为两纵横弯曲梁[61]。力学模型如图 2.6 所示，根据相关理论对其进行受力分析

【参考文献】