巷道快速掘进空顶区顶板破坏机理及稳定性控制

发布时间：2017-08-03 12:18

  本文关键词：巷道快速掘进空顶区顶板破坏机理及稳定性控制

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【摘要】：煤巷快速掘进是矿井提高单掘速度、保障生产接替、提高煤矿机械化水平的重要支撑技术,在我国矿井应用十分广泛。受掘进工艺流程影响,煤巷掘进作业人员经常处于空顶区边缘或内部,施工安全受空顶区顶板稳定性严重影响。同时,空顶区稳定性规律是设备、工艺及支护设计的基础,煤层伴生顶底板岩层多为性质软弱的泥质岩性,不及时支护或受掘进施工扰动易破碎垮落,所以空顶区顶板安全问题严重困扰着快速掘进技术的现场应用。论文以快速掘进煤巷空顶区顶板为主要研究对象,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,以空顶区顶板岩梁结构为切入点,研究了快速掘进煤巷空顶区顶板稳定性规律及主要影响因素,揭示了空顶区顶板变形破坏规律及与迎头结构的相互作用关系,在此基础上对煤巷空顶区顶板围岩控制技术、快速掘进工艺问题以及配套设备问题等几方面进行了研究。主要成果如下:(1)分析了顶板结构特征,得出了空顶区顶板稳定性机理。随顶板厚度增加,其抗弯模量逐渐增大;随顶板岩梁深跨比增大,其挠度逐渐减小,煤壁内支承压力逐渐降低。帮部岩体变形会增加顶板岩梁的有效跨度,削弱其稳定性;顶板可承载自身和冒落范围岩体的载荷时,帮锚可显著提高锚固体抗压和抗剪强度、减小破碎区及塑性区宽度、优化顶板受力,有效控制顶板下沉。(2)得出了帮部刚度、循环步距及顶板支护强度等因素对空顶区顶板稳定性的影响规律:空顶区塑性区为椭圆形,其长轴由迎头岩体性质决定,短轴受帮部刚度影响;循环步距对空顶区顶板垂直应力分布影响极小,但对后方已支护顶板的二次下沉影响较大;增加后方顶板支护强度对空顶区顶板下沉量减小效果微弱,但能改善其承载状态,为迎头提供较好的推进基础。(3)揭示了迎头支撑结构和滞后支护对空顶区顶板稳定性的影响规律。滞后支护与迎头“C”型支撑结构的组合状态决定了空顶区顶板的下沉量及破坏状态,随着空顶距离增大,组合状态演化过程可分为叠加支撑、协同支撑、独立支撑三个阶段;以此为基础,形成了滞后支护与迎头支撑结构“C+”耦合支护的技术思路。(4)得到了顶板弯曲下沉易诱发直接顶岩层发生拉伸破坏失稳的本质规律。空顶距离增大使得迎头支撑和滞后支护仅能限制悬空顶板两端的竖向位移,空顶区中部的无约束状态导致该处的拉应力分布,且拉应力峰值位置偏向空顶区后部,成为顶板破坏垮落的突破区域。(5)借助主成分分析法分析了影响快速掘进的人、机、物料、作业方法、环境五大要素。截割头的截割效率是制约巷道掘进速度的一个薄弱环节,通过对比分析“S”型切割轨迹和螺旋线切割轨迹围岩应力分布特征,得出采用自下而上推进方式的“S”型切割轨迹更有利于保持巷道围岩的稳定。结合济宁三矿的工程条件,开展了针对性的实践探索,取得了良好的控制效果,进一步验证和诠释本文理论研究工作的合理性和有效性。
【关键词】：快速掘进 顶板结构 “C+”型结构 稳定性规律 工艺优化
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD327
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• Extended Abstract9-24
• 变量注释表24-26
• 1 绪论26-44
• 1.1 研究背景及意义26-29
• 1.2 国内外研究现状29-41
• 1.3 主要研究内容41-42
• 1.4 研究方案42-44
• 2 空顶区顶板结构及稳定性影响规律44-74
• 2.1 顶板岩梁结构及力学模型44-45
• 2.2 顶板深跨比对巷道支护影响规律45-53
• 2.3 顶板下沉受巷帮支护强度影响规律53-67
• 2.4 循环步距对空顶区顶板稳定性的影响规律67-70
• 2.5 支护强度对顶板稳定性的影响规律70-73
• 2.6 本章小结73-74
• 3 掘进工作面空顶区顶板围岩结构稳定性及关键影响因素分析74-94
• 3.1 “C+”结构与空顶区顶板关系分析74-81
• 3.2 空顶距离对空顶区顶板稳定性影响规律81-88
• 3.3 顶板应力分布及位移渐次演化特征88-90
• 3.4 顶板结构及破坏特征受空顶距离影响特征90-92
• 3.5 本章小结92-94
• 4 快速掘进空顶区顶板稳定高性能锚杆支护机理94-112
• 4.1 不同空顶条件下顶板稳定性分析94-99
• 4.2 顶板锚网支护安全判定准则99-103
• 4.3 大间排距高性能锚杆原理103-105
• 4.4 锚杆合理支护参数模拟分析105-111
• 4.5 本章小结111-112
• 5 煤巷快速掘进的工艺系统影响要素研究112-128
• 5.1 煤巷掘进及其工艺过程112
• 5.2 快速掘进影响要素研究112-116
• 5.3 综掘机切割方式与巷道快速掘进研究116-120
• 5.4 截割轨迹建模与仿真120-127
• 5.5 本章小结127-128
• 6 工业性试验128-144
• 6.1 工程地质概况128-131
• 6.2 巷道围岩控制方案131-134
• 6.3 煤巷快速掘进工艺系统影响要素优化134-143
• 6.4 应用效果分析143-144
• 7 结论与展望144-146
• 7.1 主要结论144-145
• 7.2 创新点145
• 7.3 研究展望145-146
• 参考文献146-153
• 作者简历153-155
• 学位论文数据集155

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本文编号：614354