高应力煤巷卸压孔布置方式对卸压效果影响分析

高应力是造成深部煤巷大变形的主要因素。钻孔卸压已成为高应力区围岩稳定性控制的主要方法之一。基于钻孔卸压原理,以实际工程为背景,设计了三种卸压孔布置方式,并采用数值模拟的方法对不同卸压孔布置方式的卸压效果进行计算和对比分析。结果表明:卸压孔布置方式对卸压效果影响显著,卸压孔五花布置时,卸压效果最为明显;卸压孔周围形成卸压圈,卸压圈相互叠加,卸压范围增大;巷帮布置卸压孔使巷道周边形成的应力峰值向远离巷道的围岩深部移动,五花布置卸压孔时,不仅能够使应力峰值向深部转移,而且降低了应力峰值,有效改善围岩应力环境;卸压孔产生的卸压区,为巷道围岩提供给了一定的变形补偿空间,减小了巷道变形,卸压孔五花布置时,巷道变形最小,与无卸压孔时相比,巷道实体煤帮整体变形量减小了73.9%,顶板最大沉降量减小了40%,控制变形效果明显。     

水平应力对半圆拱形巷道围岩应力分布及变形特征影响

水平应力是影响巷道围岩应力分布及变形破坏特征的重要因素,通过数值模拟方法研究了水平应力对直墙半圆拱形巷道围岩应力场、塑性区、位移场分布规律的影响,进而为确定巷道支护形式提供一定的理论依据。研究表明:影响巷道稳定性的关键因素是巷道周边的环向应力集中,随侧压力系数λ的增大,帮部围岩的竖向应力集中向顶、底板转移,从而引起塑性区向顶、底板转移,塑性区范围向顶、底板围岩内部扩展,巷道稳定性降低。当λ取值不同时,在巷道顶底板会产生相应的环向或径向拉应力区域,在拉伸作用下围岩整体性能降低,易发生压拉破坏。随λ增大,巷道帮部变形量逐渐增大,顶板下沉量先减小后增大最后减小,底鼓量先减小后增大。     

开挖卸荷扰动深部巷道围岩变形破坏特征研究

为解决开挖卸荷工程扰动条件下深部巷道围岩失稳变形加剧与受力破坏严重问题,采用层次分析(AHP)、数理计算与数值模拟的综合研究方法,分析卸荷扰动作用下深部巷道围岩的典型形变特点;建立围岩失稳破坏的综合评价体系,得出围岩裂隙场、应力场与位移场的时空演化特征。研究结果表明:深部开挖扰动围岩具有内部卸荷失稳、外部非线性变形的双重典型形变特征;围岩垂直应力与水平应力的耦合作用引发围岩的变形破坏;深部开挖巷道围岩具有初期形变量大、位移变化速度快、流变性强的特点,顶板下沉和底板鼓起是围岩失稳变形的显著特征。     

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。     

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.     

深部“三软”高应力软岩巷道卸压耦合支护技术

为解决杨河煤业高应力软岩巷道的支护问题,对杨河煤业深部软沿巷道变形破坏特征及原因进行分析,提出支架-锚杆-围岩卸压耦合支护技术,并结合42轨道下山试验巷道对耦合卸压支护技术参数进行阐述,通过矿压观测结果可知:42轨道下山在采用卸压耦合支护技术后,有效控制了巷道强烈变形。     

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。     

深部高应力煤层卸压开采相似材料模拟试验

处于深部开采且煤层位于轴部构造的矿井,巷道变形量大、变形速度快且持续时间长,巷道维护十分困难。卸压开采技术是控制矿山压力的有效手段。以大安山煤矿为工程背景,采用相似材料模拟进行卸压开采及非卸压开采两组模型对比试验,研究下保护层轴9煤层开采对被保护层轴10煤层的卸压效果,通过监测保护层开采过程中及开采稳定后轴10煤层卸压系数变化特征、岩层裂隙发育程度及变形情况来检验卸压效果。结果表明:卸压开采条件下,轴10煤层顶板应力普遍降低,峰值应力降低9.4%;岩层裂隙发育密度及煤岩层变形量大,岩层最大裂隙密度为14条/cm,上升16.7%;岩层最大下沉量为54.6 mm,上升21.6%,表明岩层受卸压作用,应力明显减小,弹性能释放程度较好,有利于减弱强矿压现象。     

孔隙水作用下深埋硐室稳定性分析及破坏机制

为获得孔隙水作用下深埋硐室的围岩压力及其潜在破坏面，将Hoek-Brown破坏准则和极限分析定理结合，改进传统的深埋硐室“楔形体”破坏机制，并将孔隙水作用考虑到优化的深埋硐室围岩稳定性计算模型中；然后根据虚功率原理推导出孔隙水作用下深埋硐室围岩压力解析解，通过序列二次规划(SQP)算法优化得到围岩压力上限解以及拱顶、拱肩破坏范围。研究表明：Hoek-Brown准则参数中地质强度指数(GSI)、岩体常数、岩体单轴抗压强度增大时围岩压力减小，硐室的潜在塌落范围也减小，而扰动因子、岩体容重和硐室直径的增大会对硐室的稳定性产生不利影响。此外，孔隙水压力系数增大时围岩压力和塌落范围也不断增大，且随着水位线高度的增加，影响程度越加明显。     

不同切槽参数对围岩稳定性分析

为了分析切槽深度和宽度对巷道围岩变形的影响和确定最佳的底板切槽参数,通过理论分析底板破坏的特征和相应的支护措施;采用FLAC 3D模拟了在不同切槽条件下巷道围岩变形的影响规律;研究了在不同切槽参数条件下巷道围岩的变形情况。结果表明,底板岩层强度不同时应当采取不同的支护措施,底板岩层强度较低时适宜采用加固法,强度较高时采用卸压法。当采用底板切槽来降低巷道围岩变形量时,在底鼓量逐渐减少时顶板下沉量也在急剧增加,并且顶板下沉量要大于底鼓的减少量。因此采用切槽卸压降低底鼓量的方法适用于顶板比较稳定的岩层,在底板中部切槽的效果要优于在两底角切槽,切槽深度为巷道宽度一半时,巷道稳定性最好。     

不同侧压力系数下圆形巷道变形破裂规律分析

为研究侧压力系数对巷道周边岩体稳定性的影响,以一条深埋圆形巷道工程为背景,采用离散颗粒元软件PFC3D分析了5种侧压力系数下巷道周边岩体的应力差、位移、破裂分布模式和微裂纹数等,得到了圆形巷道周边岩体应力、变形和破裂随侧压力系数的变化规律。结果表明,1)随侧压力系数增大,巷道顶底部浅部岩体主应力差先增大后减小,深部岩体主应力差逐渐增大;而巷道两帮浅部岩体主应力差变化较小,深部岩体主应力差先减小后增大。这表明在相同埋深情况下,高侧压力系数不一定会对帮部岩体造成更大的破坏,但更容易使顶板产生高剪应力,不利于顶板岩体的稳定。2)侧压力系数越大,巷道顶板岩体竖向位移就越小,且其由拱顶往外平滑递减的规律性也越不明显,而帮部岩体水平位移变化规律与顶板岩体相反。3)巷道顶底部围岩在侧压力系数较大的情况下较易发生破裂,并随侧压力系数增大,其破裂范围越来越大;巷道两帮岩体则在不同侧压力系数下均会发生破裂,且其破裂范围随侧压力系数增大而略减小。4)不同侧压力系数下,巷道岩体总裂纹数都随开挖时间呈指数增长;且当巷道开挖完成后,岩体总裂纹数与侧压力系数呈抛物线关系。     

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。     

深井动压影响下山煤巷围岩变形机理与控制研究

以刘桥一矿Ⅱ66回风下山为工程背景,采用现场实测、实验室实验、数值模拟和工业性试验综合分析了下山煤巷非对称变形破坏机理,提出动压影响下深井软弱煤巷围岩多层次组合控制理论,并给出优化控制措施。研究表明:回风下山变形失稳严重并呈非对称性,围岩完整性较差,强度低。地应力实测显示,回风下山处于高原岩应力区,最大主应力为水平应力且具有明显方向性,与巷道轴线夹角为71°,断面顶底板剪切破坏风险较大;数值模拟显示,回风下山开拓延伸期间,受邻近轨道下山、辅助下山影响显著,4煤回采对其影响较小,6煤工作面回采是下山煤巷非对称失稳的主要诱因;提出以围岩深浅孔注浆为核心,以新型注浆锚索、锚杆为装备基础的高阻让压全断面组合控制理论,并给出具体优化方案。工业性试验显示,下山煤巷围岩变形得到有效控制。     

二次采动下沿空留巷围岩变形及其控制研究

针对二次采动下沿空留巷围岩变形控制困难问题,揭示了沿空留巷围岩变形规律,建立了二次采动下沿空留巷围岩变形力学模型,推导出了围岩变形的理论公式,据此分析了围岩变形的影响因素,提出了支护对策,并进行了工程实践。结果表明:围岩变形理论公式与现场实测值基本一致;顶底板移近量以底鼓为主,底鼓量为直接底压曲量与老底挠曲量的最大值;各因素对围岩变形影响程度依次为巷旁支护体宽度、迭加应力集中系数、采高、采深、老底弹性模量。围岩变形控制对策应围绕关键性影响因素进行,据此提出“锚网索+高强度墩柱+老底注浆”耦合支护对策,工程实践表明,沿空留巷围岩变形稳定,得到了有效控制。     

深部软岩煤巷围岩变形分析与控制技术研究

根据深部软岩煤巷围岩力学性质,借助有限差分软件FLAC程序,模拟软岩煤巷开挖未支护巷道和U型钢支护巷道围岩变形破坏全过程,得到围岩应力场、位移场和塑性区变化规律。结果表明,解决底板问题是维护深部软岩煤巷整体稳定的关键,巷道底鼓与两帮收敛两者是相互关联的,提高围岩本身强度参数是围岩控制的重点。由此提出大刚度高阻力联合支护技术,即应用高阻力预应力锚杆进行锚网支护的基础上,以注浆加固和反底拱对底板进行控制,同时配合大刚度U型钢支护,适时实施围岩二次注浆加固及锚索加强支护,且将此技术应用于工程实践。     

小煤柱巷道围岩变形的力学机理及演化过程研究

为研究小煤柱巷道围岩变形力学机理与演化过程,以石槽村矿某回风巷为研究对象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟以及现场实测等方法,分析小煤柱条件下巷道围岩变形的主要影响因素以及表征特点。研究结果表明:侧压系数为巷道围岩变形的主控因素;侧压系数与巷道顶底板位移量呈正比关系,与两帮位移量呈反比关系;回风巷每次受采动影响时,变形可分为巷道稳定阶段、位移分化阶段以及位移加速变化阶段;围岩变形主要发生在一次采动影响时,此时巷道变形呈现明显的不对称,左右两帮的位移量差异明显,巷道的中心位置明显偏移。研究结果可为小煤柱巷道围岩支护提供技术参考。     

微型碎石管注桩治理深部软岩巷道底鼓新方法

针对造成巷道底鼓的物理和力学两种重要机制,研究并提出微型碎石管注桩治理深部软岩巷道底鼓的新方法。在物理机制方面,微型碎石桩具有渗透性极好的特点,在巷道施工和使用期间可汲取岩体中的渗水并透过碎石桩中的插管排出,从而降低软岩层因遇水膨胀导致的变形;在力学机制方面,微型碎石桩一方面通过钻孔置换出少部分底板软岩,从体量上减少变形岩体,另一方面能利用碎石桩体的侧向可压缩性耗散岩体水平变形,底板岩层中的水平地应力得以释放,极大减缓了促使底鼓变形的力学作用;通过微型碎石桩中的插管注浆加固底板岩体,提高了底板复合地基整体承载力。通过数值分析,阐明该方法在治理软岩巷道底鼓机制上的有效性。     

基于Hoek-Brown强度准则的隧道围岩松动圈分析

分析松动圈的分布范围对优化隧道支护参数,确保隧道施工安全有重要的理论价值,以弹塑性理论计算为基础,利用H-B强度准则推导了理想状态下围岩松动圈厚度的计算公式。当侧压力系数不等于1时,将实测竖直方向和水平方向的初始地应力分别带入,并考虑实际支护力的影响,得到较为准确的围岩松动圈分布规律。在铜旬高速某公路隧道中该方法计算所得围岩松动圈分布范围与围岩深部位移监测所得结果较为接近,验证了基于H-B强度准则的围岩松动圈计算公式的准确性,为确定围岩松动圈半径提供了新的有效方法。