采空区下近距离动压巷道矿压特征及支护模拟研究

发布时间：2017-09-09 04:43

  本文关键词：采空区下近距离动压巷道矿压特征及支护模拟研究

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【摘要】：本文为了研究采空区下近距离动压巷道的支护技术,首先以新峪矿采空区下典型巷道为研究背景,通过开展现场矿压监测工作,分析了巷道在采动影响下的围岩变形规律和破坏特征,得到了巷道所处工作面的周期来压相关数据,了解了常用巷道支护在回采阶段存在的不足。基于现场观测结果和支护参数理论计算,对新峪矿采空区下巷道的支护提出了优化方案,利用FLAC3D软件进行建模分析,通过对比围岩位移、应力分布和塑性区分布选出了最优支护方案。从采动压力入手,归纳总结了学者们对于采动压力的相关研究成果,概括了采动压力的静压效应和动压效应,以此为设计思想,设计并制造了新型的动压巷道支护相似模拟试验装置。利用该装置进行了室内相似模拟试验,研究了巷道在采动压力作用下的围岩变形破坏特征,以及采动动压效应作用下的围岩损伤特征,对比分析了常用支护和最优支护下巷道的围岩变形特征和应力分布规律,验证了优化支护方案的可行性。(1)新峪矿采空区下近距离巷道及工作面矿压监测为了之后进行动压巷道支护技术的研究,需要先行对巷道受采动影响的情况进行调查,判别支护是否存在不足之处。首先观测了6118材料巷回采期间的围岩变形情况,通过在巷道内布置位移测点,监测了顶板下沉量、顶底板移近量和两帮收敛量的变化。观测期间巷道围岩的总体变化趋势是,竖向收敛比两帮收敛更为明显,单独的顶板下沉量与两帮移近量相当,顶底板移近量较大,其值可达到同时间段内两帮收敛量的2.02~3.09倍,底鼓比较明显,顶板比较完整,表现出整体下沉的变化趋势,这与帮部支护强度不足,帮部局部出现了支护破坏的现象有关;距工作面10m的范围内,是采动影响的剧烈区,顶底板、两帮的变形速率均会加快,两帮在此区域受到的影响更为显著。然后,通过在液压支架安装具有自记功能的压力表,采集并分析液压支架的工作阻力,得到了一系列工作面周期来压的特征参数。其中,主要得到了工作面的周期来压步距,其值在12.9~19.4 m的范围内,平均为16.9m,靠近工作面两端的位置较大。得到了工作面的周期来压步距,可用于指导之后相关的试验研究设计。最后分析了巷道围岩变形的机理,采空区下的巷道由于上层煤柱侧向支承压力的存在,与常规巷道相比,帮部岩体容易因受压而膨胀,导致帮部支护发生破坏,层状底板更易产生底鼓。顶板由于帮部的破坏而整体下沉,而上层采空区渗水会加剧铝质泥岩的底板隆起,因此提出了加强帮部支护,抽排采空区积水的优化对策。(2)新峪矿采空区下近距离巷道支护优化的数值模拟研究在现场监测的基础上,针对现场监测中发现的新峪矿采空区下巷道支护存在的不足进行了优化设计。首先,通过理论计算,发现新峪矿典型巷道的帮部支护参数不满足计算要求,计算得到锚杆直径不应小于16.9mm,锚杆长度应大于1860mm,而实际中帮锚杆直径仅有16mm,长度1800mm,均未达到要求,因此需要对帮部支护进行加强。然后,考虑到该巷道位于采空区下,顶板一定范围内不存在完整、坚硬的岩层,锚索起不到应有的悬吊作用,单独布置锚索起不到理想的效果,所以需要对顶板锚索进行调整,将顶板锚索与顶板锚杆打设在同排,替换相应位置的锚杆,并通过W型钢带连接成一个整体性支护。根据以上两方面思路,对新峪矿采空区下巷道设计了4个优化支护方案,其中方案1~方案3作为一组,比较锚杆长度的增加对支护效果的影响,方案4与其他方案进行比较,研究增加帮锚索对支护效果的影响。随后,利用FLAC3D进行建模,模拟了巷道的开挖和工作面的回采,其中掘进距离为50m,回采距离为30m,并设置了相应的监测点,对巷道的变形和围岩应力分布进行了数据采集和分析。通过分析结果,发现掘进阶段,增强帮部锚杆的直径和长度,能起到减少巷道围岩变形的效果,但一味地增加帮锚杆的长度,带来的是成本增加迅速,效果提高不显著;而方案4通过增设帮锚索,使之与帮锚杆形成一个整体性支护,即便增加了锚杆的排距,支护的效果却是最好的,相比于常用方案,顶板下沉量减少了2.63%,两帮移近量减少了13.14%。而在回采阶段,方案1~方案3对比发现,随着锚杆长度的增加,支护效果反而不理想,不能一味地增加帮锚杆的长度;方案4相比于常用支护,大幅度减少了围岩变形量,顶板下沉量减少了21.54%,两帮移近量减少了25.48%,同时还能缓解上层煤柱的应力集中程度,减少围岩塑性区范围,改善回采期间巷道的支护效果是最明显的,而且支护成本也是最低的。通过比较可得,优化方案4是最优的支护方案,可见在采空区下的巷道施加帮锚索,支护效果提升比提高帮锚杆的规格要更加明显。(3)采动的动静压效应研究从采动压力出发,归纳总结了学者们对于采动压力的相关研究成果,推导了工作面前方某一区域某一时间的超前支承压力公式:利用数值模拟的方法,获得了回采期间巷道周围围岩竖向应力的变化规律。发现了巷道靠工作面一侧围岩,应力变化符合超前支承压力的分布规律,水平方向上与巷道距离越远,应力集中系数越大,竖直方向上,越靠近巷道水平位置,应力集中系数越大。巷道靠煤柱一侧围岩,随着工作面邻近,应力均呈现出一直增长的趋势,由于位于上层采空区煤柱下方,因此竖直方向上越远离巷道水平位置,应力增大倍数越大,通过对应力变化曲线进行拟合,发现曲线基本符合以e为底的指数函数分布,即函数形式为 。上层采空导致了下层工作面的顶板不完整,没有坚硬完整的顶板后,支承压力作用明显减弱,巷道周围的超前支承压力和侧向支承压力的影响范围仅为5~10m,相比常规类型巷道,影响范围大大缩小。总结了采动巷道的静压效应:巷道开始时处于原始应力场的作用,应力值基本保持不变,随着工作面的靠近,到某一距离时开始受到超前支承压力和侧向支承压力叠加作用的影响,当快邻近工作面时,超前支承压力开始衰减,至此巷道主要受侧向支承压力的影响,直至最终回采结束。简要分析了采动的动压效应,将动压对巷道产生的振动作用简化为两类,一类震源在巷道的上部,质点振动方向与传播方向一致,对巷道而言属于纵波的作用,另一类震源则在巷道水平的方向上,质点振动方向与传播方向垂直,对巷道而言属于横波的作用。并以地震力学的相关理论公式为基础,介绍了试验中振动荷载参数的选取方法。(4)动压巷道支护相似模拟试验装置的研制通过数值模拟的方法验证后,给出了最优的支护方案,为了在生产实践前进一步验证方案的可行性,需要进行实验室内的相似模拟试验。将巷道受到的采动作用简化为动、静荷载两部分,在相似试验中直接施加给模型巷道,并围绕这个思路设计了新型的动压巷道支护相似模拟试验装置,完成了制造、安装和调试。试验装置主要由内框架、外框架、顶部静载油缸、顶部振动油缸和底部振动油缸组成,内框架与外框架形成嵌套式结构,内框架可在底部振动油缸的作用下,沿外框架的滑轨上下移动。内框架作为独立的力系,可实现静、动荷载的同时加载、互不干扰。顶部静载油缸用来对模型材料施加静压力,模拟超前支承压力和侧向支承压力的变化。顶部振动油缸和底部振动油缸用来对模型材料施加振动作用,区别在于顶部振动油缸模拟的震源在巷道上方,产生的振动方向与传播到巷道的方向一致,对模型而言相当于纵波的作用,而底部振动油缸其模拟的震源是在水平方向某一距离处,模型中质点的振动方向与假想振动波传播方向是垂直的,因此对模型而言相当于横波的作用。根据动压巷道支护相似模拟试验装置的设计思路,给出了相应的试验过程,主要由两个部分组成,第一部分是模拟巷道所受超前支承压力和侧向支承压力变化的加载过程,通过顶部静载油缸实现;第二部分是模拟巷道受到的由开采导致的顶板断裂、垮落等因素产生的振动作用过程,通过顶部、底部振动油缸实现。(5)动压巷道支护的相似模拟试验首先介绍了本次相似模拟的研究对象,新峪矿采空区下典型巷道的常用支护形式和所处地质条件,通过相似理论的计算,确定了本次相似模拟的有关相似常数。在此基础上,计算了模型材料和模型支护构件的相关参数要求,通过配比试验、抗拉强度试验等测试,最终选择了使用过筛的河砂、32.5级普通硅酸盐水泥和嵌缝石膏制作相似模型,选择多型号的锡丝模拟不同规格的锚杆和锚索,并确定了其他支护构件相似模型材料。随后,介绍了试验中要进行的监测内容,给出了位移监测点、应力监测点以及超声波监测点的布置方式,同时,介绍了试验中支护构件的埋设方法。利用新研制的动压巷道支护相似模拟试验装置,开展相似模拟试验,参照仪器的设计试验过程,制定了此次相似模拟试验的试验方案。相似模拟试验主要进行了三组,分别针对无支护巷道、使用常用支护和优化支护的巷道,分析了巷道在试验过程中的围岩变形破坏特征,并从巷道变形、模型表面位移和巷道内部应力变化的角度对比分析了两种支护方式。试验中发现常用支护的巷道帮部支护明显不足,帮部支护出现破坏,巷道围岩变形较大,而优化方案在加强帮部支护强度后,帮锚索的作用突显,巷道变形显著下降,围岩应力分布更加合理,支护效果理想。针对振动荷载进行了专门的试验研究,发现不论是1次振动荷载还是2次振动荷载,对巷道产生的影响并不能从宏观上凭肉眼分辨。利用超声波测试技术对巷道进行检测,得到了声波在巷道围岩内的波速和波形,分析结果后发现振动会使得巷道围岩内的声波波速不同程度的降低,巷道顶板受到的影响远大于巷道帮部围岩,波形的分析结果也得到了同样的结论。最后,分析了振动荷载作用效果的发生机理。
【关键词】：采空区下近距离巷道 巷道支护 矿压特征 数值模拟 相似模拟实验
【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4-8
• Abstract8-16
• 1 引言16-30
• 1.1 国内外研究现状17-27
• 1.1.1 采动效应研究现状17-21
• 1.1.2 动压巷道矿压显现规律研究现状21-22
• 1.1.3 动压巷道围岩变形机理与支护技术研究现状22-24
• 1.1.4 动压巷道相似模型试验研究现状24-27
• 1.2 研究内容与技术路线27-30
• 1.2.1 研究内容27-28
• 1.2.2 技术路线28-30
• 2 新峪矿采空区下近距离巷道矿压监测30-42
• 2.1 工程概况30
• 2.2 矿压监测30-40
• 2.2.1 测点的布置及测试方法31-33
• 2.2.2 材料巷围岩变形监测33-38
• 2.2.3 工作面支架工作阻力监测38-40
• 2.3 材料巷围岩变形机理分析40-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 新峪矿采空区下近距离巷道支护优化的数值模拟研究42-60
• 3.1 支护方案设计42-48
• 3.1.1 常用支护方案设计42-43
• 3.1.2 支护设计理论计算43-45
• 3.1.3 优化方案的设计45-48
• 3.2 数值模型分析48-58
• 3.2.1 建立模型48-49
• 3.2.2 现有支护模拟结果与分析49-52
• 3.2.3 不同方案围岩变形对比52-56
• 3.2.4 不同方案围岩应力对比56-57
• 3.2.5 不同方案塑性区分布对比57-58
• 3.3 本章小结58-60
• 4 采动的动静压效应研究60-72
• 4.1 采动的静压效应60-68
• 4.1.1 超前支承压力60-64
• 4.1.2 侧向支承压力64-68
• 4.2 采动的动压效应68-69
• 4.3 本章小结69-72
• 5 动压巷道支护相似模拟试验装置的研制72-84
• 5.1 现有相关仪器现状72
• 5.2 动压巷道支护相似模拟试验装置的设计72-79
• 5.2.1 设计核心思想72-73
• 5.2.2 结构设计73-77
• 5.2.3 制造与安装77-79
• 5.3 动压巷道支护相似模拟试验装置的试验过程79-82
• 5.4 本章小结82-84
• 6 动压巷道支护相似模拟试验84-120
• 6.1 研究对象及研究目的84-85
• 6.1.1 研究对象84-85
• 6.1.2 研究目的85
• 6.2 试验设计85-97
• 6.2.1 模型相似常数的确定85-86
• 6.2.2 模型材料的分层86-87
• 6.2.3 模型相似材料的选择和配比试验87-88
• 6.2.4 支护模拟材料的选择88-90
• 6.2.5 监测点的布置90-92
• 6.2.6 支护构件的埋设方法92-93
• 6.2.7 对比支护方案93-95
• 6.2.8 试验过程95-97
• 6.3 试验结果与分析97-118
• 6.3.1 无支护巷道结果与分析97-99
• 6.3.2 常用支护巷道结果与分析99-106
• 6.3.3 优化支护巷道结果与分析106-114
• 6.3.4 振动荷载的作用分析114-118
• 6.4 本章小结118-120
• 7 结论与展望120-126
• 7.1 主要结论120-123
• 7.2 主要创新点123-124
• 7.3 展望124-126
• 参考文献126-134
• 致谢134-136
• 作者简介136

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