防冲吸能构件应变特性及巷道支架应用研究*

为明确防冲吸能支护的力学特性及其应用效果,基于竖向准静态压缩试验研究防冲吸能构件的荷载位移曲线,采用ABAQUS模拟防冲吸能构件的变形压溃过程,并与试验结果进行对比,对变形过程中构件管壁的应变演化进行分析,进而研究吸能支架在冲击作用下的应变特性。研究结果表明:数值计算可以较好地对防冲吸能构件的变形吸能过程和荷载位移曲线进行模拟;采用该构件的液压支架能够满足防冲吸能支护的设计理念和原则;对吸能支架吸能特性研究,防冲吸能构件能够在冲击来临时更好地保护支架,研究成果可为冲击地压巷道支护体系提供设计参考。     

吸能让位防冲支护结构与围岩协同作用体系研究*

为防治冲击地压危害,减小人员伤亡与经济损失,采用数值计算方法建立吸能让位防冲液压支架与围岩协同作用体系模型,计算支架和围岩组合体系在静载和冲击载荷作用下的受力状态。结果表明:静载条件下,受煤层影响巷道右侧拱肩位置应力值与塑性应变相对最大,此处最易发生破坏;吸能装置在静载条件下没有发生压缩变形,表明吸能装置不会影响支架正常工作;竖向冲击荷载条件下,受煤层结构影响巷道右侧拱肩处等效塑性应变值增大相对比较明显,吸能防冲支架中间液压柱与右侧液压柱水平位移变化相对最明显;冲击地压发生过程中,支架与围岩间相互作用力变化较大,总体可分为振动段、平稳段、上升段、波动段4个阶段。     

板块倾角对折棱管防冲支护装置吸能特性的影响

鉴于煤矿支护设备抗冲击能力差、在冲击地压中易遭受破坏而失效,开发一种结构简单且吸能性能良好的防冲支护装置。对普通方管轴向压缩过程完成数值模拟后,设计折棱管防冲支护装置,并重点研究其板块倾角对其吸能效果的影响。首先,通过有限元数值模拟分析,研究不同板块倾角的防冲支护装置在冲击下的压溃全过程,分析板块倾角对装置吸能效果的影响;其次,将折棱管防冲支护装置与普通方管做吸能性能对比,综合评价折棱管防冲支护装置的优势;最后,结合室内试验,验证折棱管防冲支护装置的最佳板块倾角。结果表明,板块倾角为156°的折棱管防冲支护装置吸能性能最佳。     

液压立柱内外翻转式吸能防冲构件特性数值分析

为增强液压立柱防冲性能,有效防治煤矿冲击地压,或在一定程度上减小冲击地压事故造成的损失,提出并设计了一种与液压立柱结合使用的内外翻转式吸能构件。采用数值分析对构件吸能防冲特性进行研究,结果表明:轴向压缩下内外翻转式吸能构件具有非常好的稳定变形破坏模式,且构件变形后不向四周膨胀。内外翻转式吸能构件压缩过程中具有恒定的反作用力、较高的冲程效率和有较小的载荷波动系数。内外翻转式吸能防冲构件是一种较为理想的吸能防冲构件,其与现有常规立柱结合使用,可改善立柱受冲击载荷时的受力情况,增强立柱防冲性能。     

弱胶结软岩巷道支护技术研究

为研究弱胶结软岩巷道支护难题,以塔然高勒矿区某矿弱胶结软岩巷道支护工程为研究对象,通过现场调研和室内试验分析弱胶结软岩遇水软化机理。利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立弱胶结软岩巷道弹塑性数值计算模型,对比分析锚网喷和锚网喷架两种支护方案时的巷道塑性区范围、应力分布、表面位移、喷混结构受力及锚杆和钢支架的受力形态。进行现场工业试验,监测巷道围岩收敛变形和锚杆受力变化情况。结果表明,锚网喷架支护形式能够确保支护体系充分发挥作用,塑性区范围小,围岩应力分布均匀、锚喷支护结构受力均匀且较锚网喷支护时小,采用钢支架与锚网喷构成支护体系会大大提高支护结构整体刚度,提升围岩的自稳能力和自承能力。     

新型矿用圆弧形薄壁防冲吸能装置屈曲特性数值分析*

为解决支架面对冲击地压产生的强冲作用容易失效、失稳的难题,针对现有矿用防冲吸能装置存在的不足,提出1种新型矿用圆弧形薄壁防冲吸能装置。采用ABAQUS有限元数值模拟方法对新型防冲吸能装置与原有方形预折纹薄壁装置进行对比分析,同时研究新型防冲吸能装置在不同壁厚和不同轴向模块堆积个数情况下的屈曲特性。结果表明:圆弧形薄壁装置相比于方形折纹薄壁装置在相同厚度情况下其总吸能提升近20%,比吸能提高63%,装置防冲优势明显;在装置高度不变的情况下增加模块轴向堆积个数可有效降低压溃峰值荷载、荷载波动系数,增加平均压溃荷载;随着装置薄壁厚度降低,压溃峰值荷载、压溃平均荷载、总吸能与比吸能均降低,荷载波动系数增加,曲线波动性变大。     

强膨胀软岩巷道锚网喷架联合支护技术研究

强膨胀软岩巷道的支护问题是西部地区矿井建设中普遍遇到的难题。为解决强膨胀软岩遇水泥化、崩解等给巷道掘进、支护等工程带来的困难,以强膨胀软岩巷道支护工程为研究对象,通过理论分析和现场调研,研究强膨胀软岩巷道变形机理;利用有限元分析软件MIDAS/GTS建立强膨胀软岩巷道数值仿真模型,分析了锚网喷架联合支护时巷道塑性区范围、表面位移和钢支架的受力特征。进行现场测试,获得了巷道围岩变形和锚杆受力变化规律。结果表明,采用钢支架与锚网喷构成联合支护体系可有效提高支护结构整体刚度,提升围岩的自稳能力和自承能力。     

忻州窑煤矿5935巷道底板卸压槽防冲效果研究

运用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法,对忻州窑煤矿5935巷道底板卸压槽防冲效果进行研究。依据现场实际情况,基于煤岩体静载破坏理论,选定底板卸压槽作为5935巷道的防冲技术方案。利用FLAC3D数值软件模拟5935巷道布置底板卸压槽后围岩应力、应变响应,模拟结果肯定了卸压槽的防冲作用。在现场5935巷道布置底板卸压槽的防冲试验中,实际观测巷道围岩变形量与模拟结果基本一致,声发射技术监测数据证实了底板卸压槽的防冲效果。通过底板卸压槽防冲投入分析,其经济效益相当显著。研究表明:布置底板卸压槽是忻州窑煤矿最为直接、有效的防冲手段,对"三硬"矿井冲击地压的防治工作具有一定的指导意义。     

高应力大变形软岩巷道“三壳”围岩控制机理及应用

为解决土城煤矿14运输上山软岩巷道变形量大、锚杆索失效严重等技术难题,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,揭示了围岩变形特征以及巷道失稳破坏机理,提出了“三壳”围岩控制理论。基于以上研究,设计了“锚杆锚索+灌浆+钢管混凝土支架”的复合支护方案,建立了基于“三壳”围岩控制理论的“三壳”支护结构体力学模型,计算出设计方案的极限承载能力为2.54 MPa,随后采用 FLAC3D数值模拟软件对设计方案进行模拟分析,验证了方案合理性。最后,该复合支护得到成功运用,现场监测结果表明:巷道顶底板以及两帮变形量均低于100 mm,巷道未发生明显变形,支护效果良好。     

忻州窑煤矿5931巷道卸压槽防冲模拟与试验研究

采用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法,对忻州窑煤矿5931巷道卸压槽防冲效果进行研究.数学推导了巷道底板岩层轴向力,分析了巷道底鼓原因.根据煤岩体静载破坏理论,确定了巷道卸压槽防冲技术方案.并运用FLAC3D数值软件模拟布置卸压槽巷道围岩应力、变形状态,从模拟结果可以看出,卸压槽具有很好的防冲作用.最后,选取部分5931巷道开展卸压槽防冲试验,布槽巷道围岩变形量明显减小,与模拟结果较为一致,同时,声发射现象显著减弱,证实卸压槽有好的防冲效果.     

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。     

高应力巷道底臌变形机理及控制技术分析

为了分析高应力巷道底臌变形机理，以铜川玉华煤矿2407工作面巷道为研究背景，采用理论分析和现场观测相结合的研究方法。根据巷道底臌主要由原岩应力、支承应力、围岩遇水膨胀、流变作用而引起进行分析，推导出计算底臌量的表达式。针对玉华煤矿高应力巷道底臌变形，提出在巷道顶板采用锚网梁索支护，帮部采用锚网支护的原支护条件下，底板采用锚杆注浆和切槽联合支护方式控制底臌。现场观测结果表明:这种联合支护方式能够有效控制巷道底臌变形，底臌量降低了61.5%。将底臌量理论解与现场监测的结果进行比较，误差小于8.93%，验证了理论的合理性，为巷道底臌量分析提供了参考。     

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。     

考虑中间主应力对圆形巷道Hoek Brown准则解的影响

为了建立更加适用于深部巷道围岩塑性解分析的Hoek Brown准则,获得更加准确的巷道围岩塑性区范围及其支护变形量。通过将洛德参数表示的中间主应力带入Hoek Brown准则中,经过理论公式的推导,获得巷道围岩塑性区的应力和半径以及巷道周边位移的解析解。经算例分析,随着中间主应力的减小,塑性区范围也减小,当中间主应力趋近于第三主应力时,塑性区范围为最小;并且支护阻力和原岩应力对巷道塑性区范围也有一定影响;最后将计算的结果与Mohr-Coulomb准则对应的卡斯特纳解进行比较,发现文中建立的Hoek Brown强度准则更加适用于深部巷道塑性区分析。由此可知考虑中间主应力的Hoek Brown强度准则,更能全面分析巷道围岩塑性区的范围,获得更为准确的结果;在工程实践中,在易破坏的地段取地应力值时,应适当的增大中间主应力的取值,并且刚开挖巷道应及时支护,这样可有效的维护巷道围岩的稳定。     

软岩大变形巷道支护技术及应用

针对三门峡铝土矿软岩巷道大变形难支护的问题,综合现场工程地质调查、软岩水理作用测试、现场测试等手段和方法,对该地区巷道破坏模式和失稳机理进行详细分析,提出了锚喷-砌碹相结合的互补支护技术。按照互补支护参数建立数值模型并进行稳定性分析,数值计算结果表明在此支护方式下巷道各部位围岩收敛变形控制良好,且支护后围岩安全系数较之前明显提高。将新支护方案进行工程试验,巷道变形监测数据表明,支护后的巷道变形得到了良好的控制,混凝土喷层未出现裂缝,围岩变形速度迅速减小;锚喷10天后围岩变形基本稳定,此时进行二次砌碹支护效果最好,可以保证巷道的长期稳定。     

软岩大变形巷道刚柔结合支护方法研究

深部软岩地下工程围岩稳定性差且具有长期流变效应,由于支护不利导致围岩产生大变形破坏问题趋于突出。针对以上问题,以某深部软岩巷道工程建设为例,采用现场监测、数值模拟等方法,分析围岩长期变形趋势及破坏机理;针对围岩破坏特征,提出“刚柔”结合的软弱大变形巷道围岩新型支护方法:考虑围岩不同深度破坏情况不同,采用不同注浆方法分区域加固,形成“刚性”承载圈,并在巷道最外部设置缓冲层及可缩性U型钢支架,形成柔性加固圈。利用有限元模型对其支护效果进行数值模拟,结合现场监测变形数据分析,验证了新型支护方案的合理性。     

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。