多次采动巷道围岩变形演化规律及支护技术研究

为探究多次采动下巷道围岩的变形演化规律，解决巷道围岩大变形问题，以山西襄垣七一新发煤业5101工作面回风巷为工程背景，采用现场调研、数值模拟和工业性试验相结合的方法，对多次采动期间巷道围岩变形及塑性区演化规律进行研究，结果表明：随着采动影响的加剧，巷道围岩变形量增加且所占总变形量比重增加，并呈现明显的非对称变形；巷道围岩塑性区破坏深度延伸，破坏面积加大且巷道右帮塑性破坏区扩展最为明显，其塑性破坏规律大致呈：“巷道右肩角处→巷道右底角处→巷道右帮中部”的动态扩展过程。基于巷道围岩变形特征及规律提出支护方案，现场工业性试验结果表明，支护方案合理，巷道变形满足工作面开采需要，研究结果可为类似地质条件下巷道围岩控制提供借鉴。     

采动巷道煤帮变形破坏规律与控制技术

针对采动巷道帮部围岩变形破坏剧烈、支护维护困难、扩帮施工工艺复杂等问题,以刘家梁矿复合顶板采动巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法,监测获取采动巷帮变形破坏规律,分析采动巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。研究结果表明:工作面回采过程中,采动巷道区域出现支承压力集中程度增大的同时,围岩周边主应力的方向也随之偏转,导致巷帮出现较大的塑性破坏深度且最大巷帮破坏深度偏向于巷帮中部,引发普通支护强度无法有效控制的巷帮围岩大变形,造成支护体损坏;采用高延伸性、可持续提供支护力、围岩变形过程中不破断的支护材料是此类围岩控制的有效途径。据此研发适用于大变形巷帮围岩控制的高延伸性组合锚杆,该锚杆杆体延伸率超过20%,具有较高的尾部抗剪能力,并可在扩帮施工后继续使用,现场应用效果良好。     

重复采动回采巷道变形机理及稳定控制

工作面在高强度开采过程中，回采巷道围岩的稳定性控制至关重要。针对布尔台煤矿厚煤层综放工作面回采巷道受强采动围岩变形特征，以42203综放工作面为例，根据巷道围岩蝶形破坏理论，与数值模拟方法相结合对其辅运顺槽受一次采动、二次采动时围岩变形机理进行了研究，分析了巷道围岩的塑性区“蝶形”扩展机理。研究结果表明：巷道围岩塑性区边界与巷道埋深、侧压系数及围岩的力学特性有关；围压比值决定着围岩塑性区的发育形态。在采动影响作用下，巷道周边最大主应力和最小主应力的大小及方向处于不断变化过程中。42203工作面辅运顺槽在受采动影响时应力发生偏转，致使塑性区呈现出非对称性扩展。基于42203工作面辅运顺槽受采动应力分布规律与塑性区演化规律，提出了相应的围岩控制加强支护技术方案，在现场工业性试验效果良好，为重复采动巷道围岩的变形机理及稳定控制提供一定借鉴。     

强烈采动作用下岩巷围岩塑性区恶性扩展的控制研究

采用理论分析、数值计算和现场试验等手段,研究了支护阻力对巷道围岩应力场的影响,分析了支护阻力对围岩塑性区及其分布形态的作用,对比了塑性区均匀扩展与恶性扩展对巷道变形的影响。认为在常规支护条件下支护阻力对围岩应力场分布影响有限,难以遏制塑性区恶性扩展;塑性区恶性扩展所导致的巷道变形远大于均匀扩展相同面积的巷道变形,控制塑性区恶性扩展是维护巷道围岩稳定的有效途径。以江西高坑矿采动影响下暗皮带斜井的加固为工程背景,研究通过敏感部位局部加强来控制塑性区恶性扩展的方法,提出"整体加固+局部加强"的支护方案并实施。现场实践表明,暗皮带斜井在上覆煤层采动过程中围岩得到较好的控制,保证了该巷道的长期稳定。     

深部煤巷偏应力场分布特征及围岩控制研究

针对受多重采动影响的深部巷道变形量大、支护困难等围岩控制问题，以赵庄煤矿33092巷为研究对象，通过现场调研、理论分析、数值模拟等方式分析了受重复采动影响的深部煤巷围岩变形破坏形态，获得了深部巷道围岩偏应力分布特征及塑性区演化规律。研究结果表明：33092巷围岩偏应力S1和塑性区都呈倾斜的“8”字型分布，属于明显的非对称式破坏，现场巷道破坏形式与理论分析、数值模拟结果基本一致|基于偏应力和塑性区的非对称分布形态，提出了33092巷的非对称支护改进方案并在现场进行工业试验，试验结果表明该方案能维持巷道围岩的稳定性，保证巷道服务期内的安全使用。     

叠合采动下围岩破坏区非均匀扩展机理及巷道稳定控制

为揭示叠合采动影响下围岩的变形破坏特征,以羊场湾矿160206工作面为工程背景,通过现场监测、理论分析计算、数值模拟和现场工程试验的综合研究方法,研究叠合采动应力场下回风巷围岩的应力场演化规律和塑性区形态分布特征,揭示煤层巷道在叠合采动影响下的非均匀扩展机理。结果表明：上下区段的叠加采动影响导致160206工作面前方回风巷处于高偏应力环境,这是造成回风巷发生非对称破坏的主控因素;叠合采动巷道在高偏应力作用下塑性区呈蝶形形态,且蝶叶向采空区一侧偏转,围岩塑性区形态呈煤壁帮顶板及煤柱帮底板破坏范围大的非均匀扩展特征。据此,提出采用非对称长短锚杆索协调加强支护、超前单元支架及钻孔卸压的联合支护技术,在叠合采动影响区域进行工业性试验,取得良好的效果。     

高强度多边形封闭式型钢支架的研发与应用

为了解决高应力软岩和破碎围岩永久巷道的支护难题,提出了一种高强度多边形封闭式型钢支架,采用力法原理建立了支架的结构力学模型,计算得出了合理的支架结构,以经济成本和支架承载强度的高效利用为原则,选取了热轧型钢作为支架的材质。在冀中能源股份有限公司邢东矿进行了现场工业性试验结果表明,采用高强度多边形封闭式型钢支架对巷道进行二次支护后,巷道围岩最终变形量基本维持在50~70 mm,且支架极少出现扭曲和破坏等现象,对巷道围岩的持续变形具有较好的控制作用。     

基于巷道围岩塑性区形态变化的变形破坏机理及支护

为了研究围岩塑性区形态发展对巷道浅部围岩支护的影响,采用理论分析、数值模拟及现场试验,研究巷道塑性区形态的变化规律,分析巷道支护失效的原因,得出采动影响下的巷道修护建议.研究表明:(1)不同形态的巷道,在相同侧压系数条件下,产生的塑性区形态趋于一致;(2)在侧压系数(λ=0.1~1.0)的范围内,巷道围岩塑性区形态随着λ的减小而逐渐呈现"蝴蝶"形状;(3)在采动影响下,巷道开挖形成的"蝶"形塑性区始终与主应力方向呈相对一致性.针对木孔煤矿+700瓦斯抽放巷在采动影响下,原有塑性区发生了扩展性旋转,导致巷道的上帮部的锚杆锚固端由弹性区转至塑性区内,锚杆出现整体拉出失效,而锚索则是受力过大致其拉断失效.设计"巷道周边加固+部分加长锚杆(索)"作为巷道修帮支护方式,在修帮支护后的6个月巷道变形较小,达到了修帮支护目的.     

采动巷道软弱顶板塑性破坏演化规律与支护方案

软弱顶板条件下,巷道在原岩应力与采动应力叠加作用下会出现深度较大的塑性破坏区,引发剧烈的巷道围岩变形,甚至出现冒顶隐患。为掌握采动过程中塑性区在软弱顶板中的演化规律,以敏东一矿回采巷道为工程背景,系统研究了采动前后巷道围岩塑性区分布与演化特征,结果表明:在本工作面超前支承压力和上区段工作面采空区侧向支承压力的叠加影响下,采动巷道周边两个主应力比值急剧升高,同时,受邻近工作面覆岩移动影响,巷道围岩周边应力中的最大主应力方向也将发生大幅度的偏转。伴随着软弱顶板采动巷道围岩主应力大小和方向的不断演化,最大塑性破裂深度逐渐扩展且朝向顶板,塑性区扩展过程中会出现隔层分布现象,顶板剧烈变形主要是由塑性破坏产生,各层位顶板的破裂顺序依次为浅部塑性破坏、高位软岩塑性破坏和中位岩层的破裂。中部层位的断裂破坏一般滞后于高位穿透塑性区的形成。期间巷道围岩出现严重的非均匀性大变形,支护难度极大。据此提出了以注浆锚索为核心的顶板控制方法,注浆层位应主要集中在采动期间发生高位穿透塑性破坏的层位,注浆覆盖范围应不小于高位穿透塑性破坏的分布范围,巷道顶板变形监测结果表明,顶板控制效果良好,顶板未出现安全隐患且变形量在允许范围内。     

大断面巷道非均匀变形机理及稳定性控制研究

为探究围岩受采动影响条件下巷道变形破坏与稳定性控制，以桑树坪二号井3309工作面运输平巷为工程背景，采用FLAC3D数值模拟方法分析“一掘二采”期间大断面巷道围岩主应力差分布特征，结合现场试验，揭示大断面巷道围岩非均匀大变形破坏机理，分析提出巷道围岩非均匀变形控制补强支护设计方案。研究结果表明：①一次回采和二次回采期间，巷道煤柱及煤壁两侧煤体峰值应力差分别为7.93MPa、12.96MPa，煤柱帮峰值应力远高于煤壁帮，两侧煤体呈非对称变形破坏特征|②与一次回采相比，二次回采期间3309工作面运输平巷煤柱帮主应力增大11.46MPa，塑性区范围从4.5m增加至煤柱宽度，煤壁帮主应力差增加27.46MPa，塑性区增加1.5m，巷道围岩处于高强度剪应力状态，易引起大变形破坏|③基于大断面巷道两侧煤体非均匀变形破坏特征，针对性提出“一长一短”两种补强支护方案，现场试验后巷道围岩稳定性控制效果良好。     

孤岛工作面沿空巷道锚固失效分析与支护对策

为解决某矿3210孤岛工作面回采巷道中大量锚杆锚索断裂及锚固失效、导致巷道围岩变形破坏严重的现象,对现场锚杆锚索的断裂数量分布和断裂形态进行统计分析,揭示了锚杆索支护失效的重点区域,发现大部分锚杆破断的位置都在杆尾螺纹处、大部分锚索破断位置均为杆体中部,进一步分析了巷道围岩破坏的破坏特点及原因。针对巷道支护帮弱的问题,对强帮护顶支护技术应用进行了探讨。基于研究针对原有支护,提出了“锚网索加强支护+帮部注浆补强加固”的支护对策,对支护参数及注浆施工参数进行详细设计。在改进支护前后对围岩变形情况进行实时监测与拉拔试验检验。结果表明,在工作面采动影响下,围岩变形量减小,该支护方案能提高巷帮抗变形能力与锚固能力,增强锚杆体锚固结构的弹性模量,能够有效解决锚杆索破断导致的锚固失效问题,极大提高了生产效率。     

庞庞塔煤矿大倾角煤层巷道联合支护技术研究与应用

大倾角煤层巷道存在顶帮应力环境复杂、巷道非对称变形、底鼓严重等现象。以庞庞塔煤矿5-1081巷为工程背景，提出了主被动联合控制原则，具体包括:高强及时主动支护原则、主被动联合提高强度原则、局部加强协同支护原则，设计了机械式高强恒阻支柱，开发了大倾角煤层巷道主被动联合支护技术。该技术以“高强锚杆（索）+高强恒阻支柱”为核心，通过高强锚杆（索）形成强主动承载结构，联合高强恒阻支柱协调巷道变形，从而实现巷道围岩的稳定控制。技术应用后，监测了巷道变形、锚杆受力、支柱变形等情况，结果证明了庞庞塔煤矿大倾角煤层巷道主被动联合支护技术的优越性和可靠性，为类似条件巷道支护提供了参考，也丰富了巷道围岩控制理论。     

断层构造影响带巷道全锚索支护技术

为了解决断层构造带内巷道的支护问题，针对车集煤矿2614工作面位于落差0~50 m断层影响内的地质状况，分析断层构造影响带内巷道支护的影响因素，研究得出巷道原有支护体系中锚杆失效的原因是围岩的破碎和锚杆长度的局限性使其无法提供足够的预应力；分析锚索支护的原理，和锚杆相比，锚索的长度、预应力及承载能力都比较大，更适用于断层构造影响带内的松软破碎围岩巷道的支护。同时，根据对原有锚杆支护失效的原因和锚索支护原理的分析，设计采用短锚索代替锚杆的全锚索支护，数值模拟结果分析和现场矿压观测数据都证明了全锚索支护的优越性。     

动压巷道组合锚索的“应力柱”效应研究

为有效控制动压巷道围岩变形较大、支护控制困难等问题，以山西某矿8102工作面为工程背景，通过现场调研、数值模拟、现场试验等手段，对动载扰动条件下组合锚索的支护效果进行研究分析，并在现场进行了工业性试验。研究结果表明:通过对在动压巷道顶板施加组合锚索的数值模拟得知，巷道顶板应力比较集中，并出现“应力柱”效应，巷道变形较小。结合现场工业性试验，在动压巷道顶板施加组合锚索，巷道变形破坏情况明显好于未施加组合锚索段；组合锚索可以有效控制动压巷道围岩变形破坏情况。     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点，首先分析了深部软岩巷道变形特征，采用FLAC^3D数值模拟软件，分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出，深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态，相互翻转和滑移，岩体的模量和强度低；随着巷道埋深的逐渐增加，巷道围岩应力集中系数逐渐减小，巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大，塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

劈裂注浆技术在小康矿的应用

针对小康矿回采巷道变形量大、服务周期内多次翻修、严重制约安全生产的状况,小康矿通过在S 2N 5工作面回风巷应用劈裂注浆技术,向围岩劈裂灌浆,挤压加密围岩,增加浆液与围岩的摩擦力及浆液与锚杆(锚索)的握裹力,提高围岩强度,取得了良好的支护效果,实现了巷道不翻修的目的。     

巷道支护参数优化设计及应用

为了节能降耗，巷道施工过程中要求快速掘进并且合理支护，对巷道支护参数进行了优化，基于巷道地质状况，顶板采用高强锚杆、梯形梁进行锚梁支护，使用锚网梁+锚索补强支护；回采巷道外段煤帮采用等强锚杆加缓冲皮垫、梯形梁、片网进行锚网梁支护，并进行了围岩变形观测。研究得出，优化后的巷道支护方案具有较好的支护效果，取得了良好的经济效益。     

巷道围岩松动圈探测及支护技术研究

合理的支护设计是保障巷道围岩稳定的前提，而煤矿巷道支护设计缺乏相关数据和理论的支撑，导致巷道支护设计不合理。针对采动巷道支护设计不合理的问题，以糯东煤矿二采区轨道下山为工程背景，采用钻孔成像仪对巷道围岩完整性进行观测，理论分析了钻孔成像仪的观测结果。结合围岩松动圈支护理论，得到了巷道围岩松动圈的发育范围，为糯东煤矿二采区轨道下山支护设计提供了依据，提出锚网喷加锚索加强支护的方案。实践表明，巷道支护效果良好，达到了预期的支护效果。     

煤矿高预应力、强力锚杆巷道支护技术研究

针对高应力巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击性等特点，分析了高预应力、强力锚杆支护理论技术，采用有限差分数值模拟软件FLAC^3D分析了锚杆与锚索预应力引起的应力场分布特征与影响因素，研究了支护工艺，进行了工业性试验。研究得出，采用巷道高预应力、强力锚杆支护技术，巷道掘进速度不仅大大提高，施工后的巷道围岩稳定性也得到了有效改善，实现了巷道的一次成巷，避免了二次支护，促进了高产、高效矿井的实现。     

复杂松软岩层大断面马头门巷道破坏机理及组合支护技术研究

针对辛置矿马头门巷道断面较大，围岩应力分布复杂，易发生变形破坏的特点，根据现场实际情况，通过理论研究和数值模拟等方法分析了马头门发生破坏失稳的主要原因和锚杆索临时支护作用机理，提出采用主、被动组合支护方式对巷道全断面围岩进行加固和支护，使巷道顶板、两帮和底板加固的围岩形成整体加固拱，提高马头门围岩的承载能力。