超前支护与巷道围岩耦合动力学研究

为研究综掘巷道超前支护装备与巷道围岩耦合动力问题,基于薄板理论的顶板动力学模型,建立巷道顶板力学模型。简化超前支护装备,通过各部件的运动微分方程建立整机动力学模型;最后建立考虑多点支护条件下的超前支护-顶板体系耦合动力学模型。用多体系统动力学仿真软件Recur Dyn研究多种工况下耦合动力模型的动态响应过程。结果表明,在支护的压力冲击、振动以及综掘截割扰动等因素影响下,侧帮和顶板位移变形较剧烈。在有效支撑区段,变形小于未支护顶板的位移最大值;非有效支撑区段的位移极值小于未支护顶板的位移极值,表明超前支护对顶板变形有一定的控制作用。     

动载下巷道围岩微震响应特征及支护研究

为探讨动载下深部巷道围岩变形特征,采用微震监测系统、顶板动态监测仪及FLAC3D 数值模拟软件研究深部工作面回采中微震活动特征及巷道变形破坏特征,模拟动载前后巷道围岩及支护体力学响应特性。研究结果表明:微震事件分布与累计损失能量均呈现出明显的3阶段特征,与工作面开采过程出现的初次来压、采空区初次见方和遇见断层现象相对应;微震事件的分布在时间和空间上具有一致性;动载下顶板破坏程度大于底板及两帮;动载扩大了巷道围岩塑性区范围,改变了围岩的受力状态,增大了围岩的变形量与支护体的受力;通过增加锚杆直径、长度、排距及提高预紧力对支护结构进行优化,现场监测数据表明,优化后支护方案保证了围岩的完整性,限制了围岩的变形,减小了锚杆受力,能够有效控制采动影响下巷道围岩的变形,对采动影响下深部巷道维护保证煤矿安全生产具有参考应用价值。     

巷道围岩再造承载层机理及数值模拟

在分析大变形巷道基本支护系统基础上,依据应力转移与强抗承载的围岩稳定思想,提出了巷道围岩再造承载层机理,建立了巷道围岩再造承载层稳定性力学模型,分析了巷道围岩再造承载层的稳定因素,最后进行了数值模拟。结果表明:巷道基本支护系统的承载能力与作用范围有限,基本支护系统作用下巷道浅部围岩呈“O”形整体收敛,弹塑性界面离层明显;而巷道两帮再造承载层与基本支护系统形成“Ω”形承载结构体,整体承载能力加强,顶板应力由底板深部转移改变为向两帮外伸移动,两帮围岩移动由巷道内收敛改变为向巷道底角外扩散,巷道围岩稳定性提高;巷道围岩再造承载层位置越高、长度越大,围岩越稳定;无支护巷道两帮垂直应力集中区明显,支护后巷道两帮垂直应力集中区得到弱化,浅部围岩形成“Ω”承载拱形体,两帮与顶板位移变化量较小,底鼓量为无支护巷道的84.65%,应进一步做好底鼓控制,围岩整体收敛变形较小,支护效果明显。     

大倾角煤层回采巷道超前支护技术研究与应用

针对大倾角煤层回采巷道超前支护中容易出现单体支柱滑动的问题,用力学分析的方法分析了单体支柱垂直顶板支护时的受力情况,指出单体支柱滑动失稳是由于该支护状态下逆时针的力矩3.18×105N·m远大于顺时针的力矩1.27×104N·m,支柱自身无法保持平衡造成的。分析了目前常用的大倾角回采巷道支护调斜装置存在的问题,设计研发了新型的尼龙柱帽调斜装置,并对3种支护方法进行现场工业性对比试验,证明了该装置的适应性与优越性,解决了百灵煤矿大倾角煤层回采巷道超前支护的难题,为相同工程地质条件下的巷道支护提供了参考。     

浅埋厚煤层回采巷道围岩破坏分析及支护优化

为解决神东矿区浅埋厚煤层回采巷道围岩变形量大、巷道维护效果不佳等问题,以神东矿区某矿105工作面胶运顺槽为工程实例,综合利用理论分析、数值模拟和现场实测方法,对巷道围岩破坏机制和围岩应力状态进行分析并对巷道支护方案进行优化。结果表明:巷道支护的主要对象是巷道塑性区内圈松散破碎煤岩体;巷道顶板、副帮、正帮松动破坏范围分别为3.42 m、1.51 m、1.36 m;巷道锚杆锚固段未全部处于深部稳定煤岩体中,锚杆锚固能力未得到充分发挥,是导致巷道围岩变形量大、锚固失效的根本原因。基于巷道围岩松动圈实测和数值分析结果,对巷道支护方案进行优化,现场应用表明,巷道支护方案优化后,锚杆支护作用得到充分发挥,巷道表面位移降幅明显,巷道维护效果得到明显改善。     

小凌河矿回采巷道交叉点支护技术研究

为了得出小凌河矿回采巷道交叉点处的支护方案,建立了FLAC3D数值模拟模型。针对南票煤电集团小凌河煤矿-580 m南翼溜煤道处于大倾角、受动载影响的地质条件,理论分析了交叉巷道围岩应力与变形特点,通过FLAC3D数值模拟与工程类比确定了联络巷支护方案。分析了巷道交叉点围岩应力分布和位移规律分布,确定了巷道交叉点处的补强支护方案,顶板采用钢筋托梁组合锚杆支护,并进行锚索补强。交叉的两条巷道在保持原有支护参数的基础上通过增加顶板锚索的根数来提高支护强度。结果表明,在顶板采用钢筋托梁组合锚杆支护和锚索补强,可有效控制围岩离层和结构面变形。数值模拟和传统方法相比,针对性强,更快捷方便。     

综掘面尘源位置对负压抽风口位置的影响

为探究综掘机配套抽风口位置对巷道除尘效果的影响,利用FLUENT软件建立综掘巷道相似几何模型,开展粉尘从不同尘源位置释放时,压入式通风系统和综掘机配套抽尘系统的流场及粉尘场模拟研究。结果表明:综掘工作面压入式通风系统的粉尘扩散范围在距工作面1～2 m处;综掘机配套抽尘口位置在距工作面1 m时的风流特征最利于除尘且此时各个尘源位置巷道内的粉尘均得到明显改善;当采用综掘机配套抽尘技术后,综掘工作面各个尘源释放粉尘时,巷道内的总体粉尘质量浓度都得到降低,平均除尘效率在80%以上,最高可达93%,可以很好地满足煤矿井下的降尘要求。     

深部采场进路开采顶板稳定性分析与支护设计

为降低深部矿体开采中冒顶事故的发生概率,确保井下安全开采,采用Q系统分级法、RMR岩体分类和BQ分级法对矿区岩体进行质量评价,结合块体理论和三维有限元分析进路开挖后顶板的稳定性。研究表明:部分岩体在进路开挖后顶板处出现较大拉应力集中,抗拉稳定性降低,极有可能出现冒顶事故。针对这类不稳定岩体,提出永久巷道采用锚喷支护,临时巷道采用锚杆穿带支护;并运用悬吊理论、组合梁理论、屈服强度理论和安全系数法分析支护条件下进路顶板的稳定性,优化支护结构参数。通过振弦式锚杆应力计收集现场未支护巷道与支护巷道轴向力,得出该支护设计对开挖后岩体变形起到了明显改善作用。     

巷道蝶叶塑性区顶板冒落特征与层次支护研究

针对巷道蝶叶塑性区顶板破坏深度大、变形剧烈、冒顶事故频发等问题,综合现场调研、理论分析、数值模拟等方法,考虑巷道顶板不同服务阶段的变形破坏特点,研究分析了巷道顶板破坏失稳机理和不同层位顶板的控制要点,提出了以冒顶控制为主的顶板层次控制技术,阐明了辅助支护材料、普通长度锚杆、接长锚杆、长锚索对不同层位顶板的层次控制原理。据此,在保德矿81306工作面回采巷道蝶叶塑性区顶板进行了层次支护设计,并进行了顶板下沉量和接长锚杆支护力监测,结果表明:以冒顶控制为主的巷道顶板层次支护体系较好的维护了顶板整体稳定,保证了巷道安全与正常服务。     

软弱层直接顶板巷道玻璃钢锚杆支护效果研究

为探究玻璃钢锚杆在软弱层直接顶板巷道的支护效果,以湖北肖家河磷矿为工程背景,对比管缝锚杆支护,开展两种锚杆支护的巷道收敛监测试验。监测数据表明,玻璃钢锚杆与管缝锚杆支护的软弱层直接顶板巷道的位移变形规律一致。同时,顶板厚度变化对锚杆支护效果具有显著影响。对此,利用数值模拟进一步探讨不同层状顶板厚度下2种锚杆的支护效果。结果表明,在顶板厚度变化条件下,与管缝锚杆相比,玻璃钢锚杆支护对顶板厚度变化的敏感程度相对较低,支护效果优于管缝锚杆。同时,玻璃钢锚杆支护效果受软弱层直接顶板厚度增大而呈现阶段性变化特征。随着顶板厚度增加,顶板沉降量呈现先线性增长后对数型增长的规律,巷道围岩塑性区占比呈现先增大再减小后趋于稳定的规律。通过对不同顶板厚度的玻璃钢锚杆和管缝锚杆轴向拉力值进行比较,揭示了玻璃钢锚杆支护效果更好的原因是玻璃钢锚杆能够在顶板厚度增加的情况下提供更大的轴向拉力。     

诱导式防冲支护装置的屈曲吸能特性研究

基于薄壁管件屈曲吸能原理,设计了具有特殊形状的诱导式防冲支护装置,应用于一种新式巷道吸能防冲液压支架中,旨在当突发围岩冲击时,通过装置自身及时的变形让位过程,应对支架遭受的冲击破坏作用并快速吸收其携带的冲击能,从而支架结构受到保护,围岩稳定性与巷道的整体性得到保障。防冲支护装置的承载力与吸能量通过吸能理论分析与计算获得;利用ABAQUS大型分析软件模拟两种防冲支护装置结构形式的变形吸能过程,在轴向加载的条件下进行单节支护装置准静态压缩试验。结果表明:单节防冲支护装置支护力大,比吸能高,吸能量大,总体吸能效果好。防冲支护装置吸能特性研究,为解决当下冲击地压发生时巷道支护安全问题提供了新方法。     

矿岩接触带巷道顶板沉降变形相似模拟试验研究

为分析矿岩接触带巷道顶板沉降变形对巷道稳定性的影响,以大冶铁矿尖林山矿区接触带巷道为研究对象,基于相似原理,构建了矿岩接触带巷道物理相似模拟试验模型,设计了沿巷道走向与矿岩接触面对称布置的应变位移计监测方案,分析了接触带巷道顶板沉降变形规律。研究结果表明:接触带巷道顶板两侧岩体沉降变形量和变形速率存在差异,接触带巷道大理岩侧顶板沉降量和沉降速率大于铁矿侧;邻近巷道开挖扰动对已开挖巷道顶板变形破坏有较大影响,增大了接触带巷道两侧岩体的沉降变形程度。结合大冶铁矿矿岩接触带巷道顶板沉降量监测数据,从顶板沉降量、沉降速率2个方面对比分析了相似模拟试验和现场监测试验结果,表明矿岩接触带巷道顶板沉降变形规律具有一致性。     

极破碎围岩半煤岩巷变形破坏机理及支护控制研究

针对强膨胀性极破碎围岩半煤岩巷出现的大底臌、折帮和顶板下沉等变形破坏和支护困难的问题,运用力学理论分析、数值模拟分析和现场试验研究相结合的方法,研究了巷道变形破坏机理及其控制策略。研究表明:在原以工字钢拱架为主的被动支护条件下,巷道变形破坏受到吸水膨胀、软弱夹层、节理等弱结构面多重影响,巷道变形破坏严重。提出了“全断面锚索+金属网、钢带、梯子粱”联合支护,经过现场实践,掘进巷道在新方案支护183天后,两帮、顶底板收敛变形明显减小,变形处于相对稳定状态,达到了支护效果。     

切顶卸压自成巷的连续-非连续方法模拟及切缝倾角的影响*

为克服利用连续方法或非连续方法模拟切顶卸压自成巷过程的不足,采用自主研发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的拉格朗日元与离散元耦合连续-非连续方法,提出基于高斯求积公式的势接触力计算方法以提高计算效率,通过考察剪裂纹和拉裂纹的时空分布和煤层支承压力的演化规律,研究不同切缝倾角时切顶卸压自成巷过程,并考虑右巷(胶运巷)的锚杆原始支护、锚索补强支护和液压元件的临时支护。研究结果表明:切缝倾角越大,右巷顶板完整性越好,这是由于当倾角较大时切缝尖端发展出的裂纹促进采空区顶板冒落,从而阻隔采场压力向右巷顶板传递;左巷顶板的冒落越严重;切缝倾角以10°为宜。     

巷道超前支护装备的防冲击控制策略研究

针对冲击地压会对巷道超前支护装备产生冲击等不利影响,提出一种基于改进型扰动观测器的控制方法。该方法在常规扰动观测器基础上,增加两个控制器,对理想模型控制器的输出进行动态补偿。使控制器不仅能够对频率较低的外界扰动进行抑制,同时能够对高频的测量噪声干扰进行消除。对其进行数值仿真与模拟实验,结果表明改进后控制方法能够有效降低冲击地压对超前支护装备产生的不利影响。