乌东近直立煤层组冲击地压及恒阻大变形防冲支护研究

发布时间：2017-09-13 07:23

  本文关键词：乌东近直立煤层组冲击地压及恒阻大变形防冲支护研究

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【摘要】：冲击地压是指围岩中大量弹性能沿临空面瞬间释放的动力学现象,具有有突然性、不确定性和与巨大破坏性,给矿井安全生产带来巨大威胁。冲击地压的孕育和发生,是构造和地层特征与采掘工程条件相叠加后,能量聚集和非稳态释放的结果,其影响因素主要为地质条件和采掘技术条件,同时具有时空演化特征。近直立煤层组是一种极为特殊的煤层产状,我国近直立煤层组主要集中于乌鲁木齐东北部,其煤层倾角约为87°,典型矿井为乌东煤矿南区。该地层赋存B3+6和B1+2两组煤层,采用水平分段开采方式自上而下进行开采,开采工艺为综采放顶煤。在该地质和采掘技术条件下,采深350m时,+500水平B3+6工作面回采巷道发生多次冲击地压现象。因此为了研究其冲击地压发生的机理并对其回采巷道进行有效防冲支护,本文在进行大量现场调研、实地测试和资料分析的基础上,采用理论分析、数值模拟等方法,对近直立煤层组冲击地压发生的特征和影响因素、煤层开挖后围岩应力和能量分布特征进行深入分析,揭示了乌东煤矿南区近直立煤层组冲击地压类型和其能量机理。论述了冲击巷道围岩防冲支护要求和普通锚杆锚索及U钢支护材料对冲击地压巷道支护防护的不足。对何满潮院士基于大变形控制理念提出的恒阻大变形锚杆锚索进行力学测试,分别进行静力拉伸和动力冲击作用下的支护阻力和变形进行测试分析。在前人研究基础上,总结了巷道防冲支护原则,提出以恒阻大变形锚杆锚索为主要支护材料的防冲支护形式,并通过理论分析和数值模拟进行验证。论文各部分研究内容具体如下:本文前言论述了近直立煤层矿井乌东煤矿南区开采所面临的问题,分析了其冲击地压发生机理现有研究成果,并说明该问题具有进一步研究的必要性。探讨了冲击地压巷道防冲支护的困难,并总结了现有冲击地压巷道防冲支护形式和技术,分析了传统的支护形式不能满足巷道围岩冲击大变形的控制的要求,以及现有支护形式在冲击动载荷作用下围岩大变形破坏现象。采用高预应力主动支护、大变形让压和恒阻吸能的冲击大变形控制理念,提出以恒阻大变形锚杆锚索为主要支护材料的冲击大变形控制技术。阐述了乌东矿区近直立煤层的分布及其产状,着重分析了近直立煤层区域地质构造,介绍了乌东煤矿南区近直立煤层工程地质和采掘技术条件。采用空心包体应力解除方法,对该矿进行了地应力测试,分析了地应力分布规律和对围岩稳定性的影响,结果表明,该区域地应力场属于σHσhσv型,地应力以水平构造应力为主。方向与开采煤层和回采巷道走向夹角约为82°,对回采巷道和中间岩柱体的稳定性影响极为不利。对B3+6煤层及其顶底板进行了物理力学参数测试和冲击倾向性测试分析,结果表明,B3+6煤层强度较大,其顶底板粉砂岩为致密坚硬岩石,b3+6煤层及其顶底板粉砂岩均具有中等冲击倾向性。通过对乌东煤矿南区现场三次典型的冲击地压显现情况进行分析,研究其发生的时间和空间特征,得到了现场冲击地压显现特征;并深入分析了冲击地压发生的影响因素。由数值模拟分析其围岩应力分布特征可知,应力集中主要分布在b6煤层及其顶板交界处开采水平以下30~70m范围内,其中最大应力集中区位于开采水平以下50m处,应力集中系数达到2.9~3.1。分析应力集中的主要原因为,350m高的b6煤层坚硬顶板在水平不平衡力和重力作用下向采空区发生倾斜变形,对开采水平以下煤岩体形成巨大挤压作用,形成高应力集中区。同时通过数值模拟分析可知,在b3+6煤层遗留煤柱区域,中间岩柱体受不平衡水平应力和自重作用下,向b1+2采空区发生倾斜变形,在其底部形成弯曲作用,造成b3底板岩层出现垂直拉应力现象,在岩柱体另一侧造成较大压应力区。分析数值模拟计算结果和现场冲击地压发生特征及围岩破坏情况,提出乌东煤矿南区近直立冲击地压的两种类型,即坚硬顶板高应力型冲击地压和中间岩柱体力矩型冲击地压,并从能量观点和力学分析对其加以说明。论述了恒阻大变形锚杆锚索的结构组成和技术特点。对恒阻大变形锚杆锚索进行静力拉伸试验,结果表明,恒阻大变形锚杆锚索具有忍受较大变形的同时保持恒定支护阻力的性质,其支护阻力与设计的恒阻值基本一致。静力拉伸曲线分为增阻、恒阻和阻力降低三个阶段。在增阻、恒阻阶段其拉伸曲线几乎为理想弹塑性曲线,因此具备超常力学性能。采用重锤自由落体作为动力冲击载荷,对恒阻大变形锚杆锚索进行动力学测试,实验结果表明,在动力冲击作用下恒阻大变形锚杆锚索,仍能保持稳定的工作阻力。在冲击过程中,通过恒阻器滑移变形并保持恒定的工作阻力,吸收冲击能量和减弱动力荷载对杆体的冲击作用,每次冲击平均阻力与设计恒阻值基本一致,表明恒阻大变形锚杆锚索具备较强的抗冲击作用。论述了冲击地压的特点和对巷道围岩的破坏作用,基于此,提出防冲支护系统应同时具备高支护强度、变形让压、恒定阻力和瞬间吸收冲击能量的性质。由防冲支护要求和恒阻大变形锚杆锚索支护原理出发,从高预应力高强支护、忍受大变形和吸能防冲三个方面论述了恒阻大变形锚杆锚索防冲作用原理。从冲击地压发生的特点出发,论述了防冲支护的重要性和必要性,和选择合适防冲支护材料的关键性。总结论述了主要防冲支护原则:(1)避免冲击地压原则;(2)预先评估;(3)采用大变形吸能主动支护;(4)加强关键部位支护;(5)加强护表及整体支护等。提出采用恒阻大变形锚杆锚索为主要材料进行防冲支护设计。根据耦合支护原理,论述了恒阻大变形支护自动耦合原理。针对乌东南区近直立煤层+450水平b3巷道地质概况和冲击地压显现特点,以其工程地质概况进行恒阻大变形防冲支护设计,提出大断面预留量+20t恒阻大变形锚杆+钢筋网+钢带+35t恒阻大变形锚索+底角35t恒阻锚索的耦合支护形式。根据能量平衡原理,对恒阻大变形锚杆锚索防冲支护动载适应性进行研究论证,表明以该恒阻大变形锚杆锚索为主要支护材料的防冲支护方案能够有效控制较大矿震震级冲击地压的破坏作用。利用数值模拟方法进行该方案的模拟实验研究,在巷道浅部围岩施加一定能量冲击载荷,使围岩位移速度与能量原理验证中围岩位移速度大致相当;通过计算,恒阻大变形锚杆锚索支护体的变形量和围岩变形量均在设计变形范围以内,表明恒阻大变形锚杆锚索防冲支护能够抵御该能量的动载冲击作用,具有良好的冲击防护效果。
【关键词】：近直立煤层 乌东煤矿南区 冲击地压 恒阻大变形锚杆锚索 防冲支护
【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】：TD324
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 1 引言15-27
• 1.1 问题的提出15-16
• 1.2 国内外研究现状16-23
• 1.2.1 冲击地压机理研究现状16-21
• 1.2.2 冲击地压机巷道支护研究现状21-23
• 1.3 存在的问题23-24
• 1.3.1 近直立煤层冲击地压研究存在的问题23-24
• 1.3.2 冲击地压巷道防冲支护存在的问题24
• 1.4 研究方法及主要研究内容24-26
• 1.5 本文创新点26-27
• 2 近直立煤层组地质概况及围岩特性27-43
• 2.1 工程地质27-28
• 2.1.1 地理位置及地貌27-28
• 2.2 矿井概况28-30
• 2.2.1 矿井区域构造28
• 2.2.2 开采煤层及顶底板28-29
• 2.2.3 开采概况29-30
• 2.2.4 上覆采空区遗留煤柱分布30
• 2.3 乌东南区近直立地层地应力测试30-35
• 2.3.1 测试方法30-31
• 2.3.2 矿区构造特征及地应力分析31-32
• 2.3.3 近直立地层地应力现场测试32-33
• 2.3.4 测量结果33
• 2.3.5 地应力分布特征及与巷道的关系33-35
• 2.4 乌东南区围岩及煤层物理力学性质35
• 2.5 乌东南区围岩及煤层冲击倾向性研究35-40
• 2.5.1 煤的冲击倾向性参考标准35-36
• 2.5.2 B3+6 煤层冲击倾向性测定结果36-37
• 2.5.3 顶底板砂岩冲击倾向性研究37-40
• 2.6 本章小结40-43
• 3 近直立煤层冲击地压诱因及冲击类型分析43-81
• 3.1 近直立煤层组冲击地压特征43-49
• 3.1.1 典型冲击事件43-46
• 3.1.2 冲击地压显现特征46-47
• 3.1.3 近直立煤层组主要影响因素47-49
• 3.2 近直立煤层冲击地压机理数值模拟49-50
• 3.2.1 FLAC3D简介49
• 3.2.2 研究内容49-50
• 3.2.3 研究目的50
• 3.3 数值模型建立及方案设计50-52
• 3.3.1 数值计算模型50-51
• 3.3.2 边界条件及地层参数51-52
• 3.4 数值模拟结果分析52-68
• 3.4.1 上覆煤体完全采出后围岩应力响应及变形分析52-58
• 3.4.2 相邻煤层存在煤柱情况下围岩应力分布分析58-62
• 3.4.3 本煤层存在煤柱情况下围岩应力分布分析62-68
• 3.5 近直立煤层组冲击地压类型及分析68
• 3.6 近直立煤层顶板高应力型冲击地压能量机理分析68-75
• 3.6.1 冲击地压发生的最小能量密度69-70
• 3.6.2 煤岩体应变能量计算70-73
• 3.6.3 动压诱发冲击地压分析73-75
• 3.7 近直立地层力矩型冲击地压75-78
• 3.7.1 岩柱体受力分析76-77
• 3.7.2 岩柱体弯曲能量分析77-78
• 3.8 本章小结78-81
• 4 恒阻大变形防冲支护技术研究81-105
• 4.1 恒阻大变形锚杆锚索支护材料81-83
• 4.1.1 工程大变形问题呼唤新型支护材料81
• 4.1.2 恒阻大变形锚杆锚索结构组成81-82
• 4.1.3 恒阻大变形锚杆锚索技术特点82-83
• 4.2 恒阻大变形锚杆锚索静力学特性试验研究83-90
• 4.2.1 实验目的、方法及设计83
• 4.2.2 恒阻大变形锚杆实验过程及实验结果分析83-88
• 4.2.3 恒阻大变形锚索实验结果分析88-90
• 4.3 恒阻大变形锚杆锚索动力学特性试验研究90-96
• 4.3.1 动力实验目的、方法及设计90
• 4.3.2 恒阻大变形锚杆动力实验过程及实验结果分析90-94
• 4.3.3 恒阻大变形锚索动力实验过程及实验结果分析94-96
• 4.4 恒阻大变形锚杆锚索支护防冲原理96-102
• 4.4.1 冲击地压对围岩破坏特征96-97
• 4.4.2 冲击地压对围岩支护要求97-102
• 4.5 本章小结102-105
• 5 回采巷道恒阻大变形防冲支护及数值模拟研究105-125
• 5.1 冲击地压巷道防冲支护的重要性105-106
• 5.2 防冲支护设计原则106-109
• 5.2.1 避免冲击地压原则107
• 5.2.2 预先评估107
• 5.2.3 大变形吸能主动支护107-108
• 5.2.4 加强关键部位支护108
• 5.2.5 加强护表及整体支护108-109
• 5.3 乌东南区近直立煤层回采巷道防冲支护109-113
• 5.3.1 恒阻大变形锚杆锚索自动耦合支护原理109-110
• 5.3.2 恒阻大变形锚杆锚索防冲支护方案110-112
• 5.3.3 恒阻大变形锚杆锚索防冲支护动载适应性研究112-113
• 5.4 恒阻大变形防冲支护动力冲击数值模拟研究113-122
• 5.4.1 数值模拟研究内容及模型建立114-116
• 5.4.2 模型加载方案116-117
• 5.4.3 冲击载荷作用下恒阻大变形防冲支护效果分析117-122
• 5.5 本章小结122-125
• 6 结论125-127
• 参考文献127-135
• 致谢135-137
• 作者简介137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李海涛;宋力;周宏伟;姜耀东;王宏伟;;率效应影响下煤的冲击特性评价方法及应用[J];煤炭学报;2015年12期

2 康红普;吴拥政;何杰;付玉凯;;深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践[J];煤炭学报;2015年10期

3 何满潮;赵菲;杜帅;郑茂炯;;不同卸载速率下岩爆破坏特征试验分析[J];岩土力学;2014年10期

4 何满潮;刘冬桥;宫伟力;汪承超;孔杰;杜帅;张s，

本文编号：842328