千米深井巷道围岩支护—改性—卸压协同控制原理及技术
发布时间：2021-08-05 07:13
我国埋深1000m以下的煤炭资源丰富,主要分布在中东部地区。与浅部煤矿相比,千米深井最大的特点是地应力高、采动影响强烈,巷道开挖后即表现为变形大、持续时间长、稳定性差,受到工作面采动影响后,围岩变形与破坏进一步加剧,甚至出现冒顶、冲击地压等灾害。适用于中浅部煤矿的围岩控制方法与技术不能解决千米深井难题。为此,本文以我国淮南矿区中煤新集口孜东矿千米深井121302工作面运输巷为工程背景,采用理论分析、实验室试验、相似材料模型试验、数值模拟及井下试验相结合的方法,研究千米深井巷道围岩大变形机理及支护-改性-卸压协同控制原理及技术,为千米深井巷道围岩控制提供基础。本文研究内容包括五个方面:（1）从地应力、围岩裂化、超长工作面采动、偏应力诱导围岩扩容等多个角度研究千米深井巷道围岩大变形机理。（2）采用相似材料模型试验对比研究单一锚杆锚索支护与支护-改性-卸压协同控制2种方案下巷道围岩及支护体受力、巷道裂隙分布与变形规律。（3）采用数值模拟研究单一锚杆锚索支护、支护-改性-卸压等多种方案下巷道围岩变形破坏机理,揭示千米深井巷道支护-改性-卸压协同控制原理。（4）研发千米深井巷道支护-改性-卸压协...
【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市
【文章页数】：188 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
千米深井巷道围岩大变形（新集）
1绪论—2—图1.1千米深井巷道围岩大变形（新集）图1.2强动压下巷道大范围网兜（潞安）在深部高地应力与强采动叠加作用下，深部巷道围岩发生长时流变大变形、围岩整体挤出、煤岩体软化、裂隙闭合，高应力作用下围岩渗透性差，传统的裂隙岩体低压注浆难以注入围岩，在深部高应力强采动巷道围岩条件下，注浆加固如何提高锚杆的锚固力、提高围岩的完整性和强度需要系统研究。水力压裂技术近年来在煤矿坚硬顶板控制、强烈动压影响巷道卸压中逐步得推广应用。在水力压裂裂缝开启与扩展研究方面，国内外学者开展了大量研究，取得了较多研究成果[10-12]。但是，煤矿千米深井强采动巷道围岩水力压裂卸压机理目前仍不清楚。针对千米深井强采动巷道围岩大变形，提出了高预应力锚杆主动支护-注浆加固主动改性-水力压裂主动卸压“三主动”协同控制的理念，但锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压如何协同作用，三者之间的时空关系如何，通过什么样的技术手段实现等，没有进行系统研究。为此，在国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”的资助下，论文拟针对煤矿千米深井软岩高应力、强采动巷道围岩条件，采用理论分析、实验室试验、相似模型试验、数值模拟及井下试验的方法开展研究。揭示高预应力锚杆主动支护-劈裂注浆主动改性-水力压裂主动卸压“三主动”协同控制原理，开发配套技术，为提升煤矿深部煤矿巷道围岩控制提供有效方法。1.2国内外研究概况—文献综述1.2.1深部高应力巷道围岩控制机理研究现状康红普[13,14]基于煤矿井下地质力学测试数据，分析了深部巷道地应力分布特征。针对深部巷道地应力高、采动影响强烈的特点，总结了适用于深部巷道的支护法、加固法、应力控制法，提出了基于地质力学测试、以锚固与注浆为核心的巷
1绪论—3—侯朝炯等[15-17]提出了针对深部高应力围岩巷道应当从降低巷道围岩应力、强化围岩力学性能、设计合理的支护系统及优化巷道断面等方式研究。根据现场实践的具体条件提出了卸压巷道、巷道优化布置、卸压钻孔等方式的应力转移技术，如图1.3所示。(a)卸压巷道(b)钻孔(c)应力分布图1.3深部巷道应力转移技术Fig.1.3Stresstransfertechnologyofdeeproadway袁亮[18]针对淮南矿区深部围岩控制，研究了深部高地应力、高渗透压、高温梯度共同作用下围岩变形破坏规律，提出了“应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大”的深部巷道围岩控制原理，并提出了分步联合支护的技术方案。姜耀东[19,20]研究了开滦矿区深部开采中巷道围岩的应力环境、变形破坏及动力特征指出，开滦矿井千米深井水平构造应力远大于自重应力，表现出不可避免的流变大变形和底臌。而随着煤层深度的增大，软弱的煤层容易发生整层的突出。李术才[21]针对巨野矿区深部高地应力厚顶煤巷道提出了“先抗后让后抗”的支护策略，在赵楼煤矿进行了现场试验，通过研发的高强让压型锚索箱梁实现了预应力损失孝定量让压、支护力传递效果好及护表面积大等特点，有效的控制了巷道围岩变形。刘泉声[22-24]对煤矿深部巷道破裂围岩非线性大变形进行了研究，发现破裂围岩的变形破坏具有一定的时滞性，局部的破坏可能引起整个围岩系统的失稳，基于此提出了分步联合支护的技术方案并在淮南顾北矿取得了较好的试验效果。1、巷道掘进迎头；2、应力转移钻孔；3、钻孔前垂直应力分布曲线；4、钻孔后垂直应力分布曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用[J]. 姜鹏飞,康红普,王志根,刘庆波,杨建威,高富强,汪向明,张群涛,郑仰发,王海涛. 煤炭学报. 2020(03)
[2]煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术[J]. 康红普,姜鹏飞,黄炳香,管学茂,王志根,吴拥政,高富强,杨建威,程利兴,郑仰发,李建忠. 煤炭学报. 2020(03)
[3]高性能无机-有机复合注浆材料研究[J]. 管学茂,张海波,杨政鹏,李海艳,路建军,狄红丰,帅波,徐驰,王国普. 煤炭学报. 2020(03)
[4]千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研发与实践[J]. 张振峰,康红普,姜志云,李文洲,姜鹏飞,蔡瑞春,朱阳涛,王军. 煤炭学报. 2020(03)
[5]高应力软岩巷道变形破坏与控制机理数值模拟研究[J]. 杨景贺. 煤炭科学技术. 2019(08)
[6]煤系砂岩真三轴试验及细观模拟研究[J]. 孟星宇,陆银龙,王连国,张扬. 矿业研究与开发. 2019(02)
[7]真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究[J]. 李文帅,王连国,陆银龙,李兆霖. 采矿与安全工程学报. 2019(01)
[8]超千米深井巷道围岩变形破坏时空演化规律实验研究[J]. 张辉,李国盛,蒋帅旗. 实验力学. 2018(06)
[9]煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想[J]. 康红普,王国法,姜鹏飞,王家臣,张农,靖洪文,黄炳香,杨宝贵,管学茂,王志根. 煤炭学报. 2018(07)
[10]砂层劈裂–压密注浆模拟试验系统研发及试验[J]. 张连震,李志鹏,刘人太,张庆松,李术才. 岩土工程学报. 2019(04)
博士论文
[1]潞安矿区破碎煤岩体注浆加固技术研究及工程应用[D]. 王强.煤炭科学研究总院 2018
[2]回采工作面双巷布置留巷定向水力压裂卸压机理研究及应用[D]. 吴拥政.煤炭科学研究总院 2018
[3]富水破碎岩体注浆材料研发与注浆加固机理研究及应用[D]. 李召峰.山东大学 2016
[4]大断面软弱煤帮巷道注浆体力学特性与控制技术研究[D]. 薛华俊.中国矿业大学(北京) 2016
[5]沁水盆地南部郑庄区煤储层水力裂缝扩展规律研究[D]. 许露露.中国地质大学(北京) 2015
[6]超千米深井高应力巷道底鼓机理及锚固技术研究[D]. 张辉.中国矿业大学（北京） 2013
硕士论文
[1]煤岩水力压裂裂缝扩展规律研究[D]. 张锐.中国石油大学(华东) 2017
[2]水力压裂裂缝扩展规律实验研究[D]. 张帆.河南理工大学 2016
[3]锚杆杆体的受力状态及支护作用研究[D]. 吴拥政.煤炭科学研究总院 2009
[4]深部破碎软弱巷道围岩破坏机理及强化控制技术研究[D]. 李敬佩.中国矿业大学 2008
[5]高强船钢冲击韧性偏低的原因分析及对策研究[D]. 陈安福.重庆大学 2006
本文编号：3323322
【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市
【文章页数】：188 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
千米深井巷道围岩大变形（新集）
1绪论—2—图1.1千米深井巷道围岩大变形（新集）图1.2强动压下巷道大范围网兜（潞安）在深部高地应力与强采动叠加作用下，深部巷道围岩发生长时流变大变形、围岩整体挤出、煤岩体软化、裂隙闭合，高应力作用下围岩渗透性差，传统的裂隙岩体低压注浆难以注入围岩，在深部高应力强采动巷道围岩条件下，注浆加固如何提高锚杆的锚固力、提高围岩的完整性和强度需要系统研究。水力压裂技术近年来在煤矿坚硬顶板控制、强烈动压影响巷道卸压中逐步得推广应用。在水力压裂裂缝开启与扩展研究方面，国内外学者开展了大量研究，取得了较多研究成果[10-12]。但是，煤矿千米深井强采动巷道围岩水力压裂卸压机理目前仍不清楚。针对千米深井强采动巷道围岩大变形，提出了高预应力锚杆主动支护-注浆加固主动改性-水力压裂主动卸压“三主动”协同控制的理念，但锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压如何协同作用，三者之间的时空关系如何，通过什么样的技术手段实现等，没有进行系统研究。为此，在国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”的资助下，论文拟针对煤矿千米深井软岩高应力、强采动巷道围岩条件，采用理论分析、实验室试验、相似模型试验、数值模拟及井下试验的方法开展研究。揭示高预应力锚杆主动支护-劈裂注浆主动改性-水力压裂主动卸压“三主动”协同控制原理，开发配套技术，为提升煤矿深部煤矿巷道围岩控制提供有效方法。1.2国内外研究概况—文献综述1.2.1深部高应力巷道围岩控制机理研究现状康红普[13,14]基于煤矿井下地质力学测试数据，分析了深部巷道地应力分布特征。针对深部巷道地应力高、采动影响强烈的特点，总结了适用于深部巷道的支护法、加固法、应力控制法，提出了基于地质力学测试、以锚固与注浆为核心的巷
1绪论—3—侯朝炯等[15-17]提出了针对深部高应力围岩巷道应当从降低巷道围岩应力、强化围岩力学性能、设计合理的支护系统及优化巷道断面等方式研究。根据现场实践的具体条件提出了卸压巷道、巷道优化布置、卸压钻孔等方式的应力转移技术，如图1.3所示。(a)卸压巷道(b)钻孔(c)应力分布图1.3深部巷道应力转移技术Fig.1.3Stresstransfertechnologyofdeeproadway袁亮[18]针对淮南矿区深部围岩控制，研究了深部高地应力、高渗透压、高温梯度共同作用下围岩变形破坏规律，提出了“应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大”的深部巷道围岩控制原理，并提出了分步联合支护的技术方案。姜耀东[19,20]研究了开滦矿区深部开采中巷道围岩的应力环境、变形破坏及动力特征指出，开滦矿井千米深井水平构造应力远大于自重应力，表现出不可避免的流变大变形和底臌。而随着煤层深度的增大，软弱的煤层容易发生整层的突出。李术才[21]针对巨野矿区深部高地应力厚顶煤巷道提出了“先抗后让后抗”的支护策略，在赵楼煤矿进行了现场试验，通过研发的高强让压型锚索箱梁实现了预应力损失孝定量让压、支护力传递效果好及护表面积大等特点，有效的控制了巷道围岩变形。刘泉声[22-24]对煤矿深部巷道破裂围岩非线性大变形进行了研究，发现破裂围岩的变形破坏具有一定的时滞性，局部的破坏可能引起整个围岩系统的失稳，基于此提出了分步联合支护的技术方案并在淮南顾北矿取得了较好的试验效果。1、巷道掘进迎头；2、应力转移钻孔；3、钻孔前垂直应力分布曲线；4、钻孔后垂直应力分布曲线
【参考文献】：
期刊论文
[1]千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用[J]. 姜鹏飞,康红普,王志根,刘庆波,杨建威,高富强,汪向明,张群涛,郑仰发,王海涛. 煤炭学报. 2020(03)
[2]煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术[J]. 康红普,姜鹏飞,黄炳香,管学茂,王志根,吴拥政,高富强,杨建威,程利兴,郑仰发,李建忠. 煤炭学报. 2020(03)
[3]高性能无机-有机复合注浆材料研究[J]. 管学茂,张海波,杨政鹏,李海艳,路建军,狄红丰,帅波,徐驰,王国普. 煤炭学报. 2020(03)
[4]千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研发与实践[J]. 张振峰,康红普,姜志云,李文洲,姜鹏飞,蔡瑞春,朱阳涛,王军. 煤炭学报. 2020(03)
[5]高应力软岩巷道变形破坏与控制机理数值模拟研究[J]. 杨景贺. 煤炭科学技术. 2019(08)
[6]煤系砂岩真三轴试验及细观模拟研究[J]. 孟星宇,陆银龙,王连国,张扬. 矿业研究与开发. 2019(02)
[7]真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究[J]. 李文帅,王连国,陆银龙,李兆霖. 采矿与安全工程学报. 2019(01)
[8]超千米深井巷道围岩变形破坏时空演化规律实验研究[J]. 张辉,李国盛,蒋帅旗. 实验力学. 2018(06)
[9]煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想[J]. 康红普,王国法,姜鹏飞,王家臣,张农,靖洪文,黄炳香,杨宝贵,管学茂,王志根. 煤炭学报. 2018(07)
[10]砂层劈裂–压密注浆模拟试验系统研发及试验[J]. 张连震,李志鹏,刘人太,张庆松,李术才. 岩土工程学报. 2019(04)
博士论文
[1]潞安矿区破碎煤岩体注浆加固技术研究及工程应用[D]. 王强.煤炭科学研究总院 2018
[2]回采工作面双巷布置留巷定向水力压裂卸压机理研究及应用[D]. 吴拥政.煤炭科学研究总院 2018
[3]富水破碎岩体注浆材料研发与注浆加固机理研究及应用[D]. 李召峰.山东大学 2016
[4]大断面软弱煤帮巷道注浆体力学特性与控制技术研究[D]. 薛华俊.中国矿业大学(北京) 2016
[5]沁水盆地南部郑庄区煤储层水力裂缝扩展规律研究[D]. 许露露.中国地质大学(北京) 2015
[6]超千米深井高应力巷道底鼓机理及锚固技术研究[D]. 张辉.中国矿业大学（北京） 2013
硕士论文
[1]煤岩水力压裂裂缝扩展规律研究[D]. 张锐.中国石油大学(华东) 2017
[2]水力压裂裂缝扩展规律实验研究[D]. 张帆.河南理工大学 2016
[3]锚杆杆体的受力状态及支护作用研究[D]. 吴拥政.煤炭科学研究总院 2009
[4]深部破碎软弱巷道围岩破坏机理及强化控制技术研究[D]. 李敬佩.中国矿业大学 2008
[5]高强船钢冲击韧性偏低的原因分析及对策研究[D]. 陈安福.重庆大学 2006
本文编号：3323322
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