巷道支护中锚固段位置对深部围岩塑性区的影响

本文以江西曲江矿区212工作面风巷为研究对象,基于3DEC数值模拟软件,结合理论分析,研究了不同支护方式对巷道稳定性的影响.研究结果表明:(1)锚杆锚固段位置能够影响巷道围岩塑性区范围.当锚杆(锚索)锚固段处于弹性区时,锚杆(锚索)对巷道围岩塑性区扩展的控制效果良好;而锚杆(锚索)锚固段处于塑性区内时,锚杆(锚索)不能有效的控制围岩塑性区扩展.(2)围岩塑性区范围与巷道变形量存在相对一致性,塑性区范围越大巷道断面的变形量越大.(3)在巷道支护中单纯使用锚杆支护无法有效控制围岩变形,为达到控制巷道围岩稳定的目的须使锚杆(锚索)充分发挥锚固作用,将锚固段置于弹性区内,应采用锚杆锚索耦合支护.     

考虑围岩蠕变的锚固时空效应分析及控制技术

针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。     

巨高巷道巷帮稳定机理及支护技术

以山西某矿5203轨道巷的巨高巷道为研究对象,采用对比分析方法,描述了巨高巷道巷帮水平位移和下沉特征及塑性区的分布特征。通过分析巷帮片帮力学模型、巷帮锚固墙的对深部围岩约束原理、巨高巷道金属支架腿部易产生压杆失稳等,最终采用高强锚杆、带、网、索支护方式加固巷帮并确定了合理支护参数。实践结果表明,巨高巷道巷帮稳定原理适用于巨高巷道巷帮支护。     

深部巷道长锚杆支护技术研究及应用

分析了深部巷道围岩变形破坏特征主要为围岩变形量大、变形具有持续性和不可控性,提出采用长锚杆支护技术进行深部巷道的支护。数值模拟分析了不同支护系统巷道围岩的塑性区分布,结果表明:深部条件下巷道塑性区范围较大,加大支护强度对塑性区改变较小,普通锚杆锚索支护不再适用;深入研究了长锚杆的围岩控制机理,并说明了其在深部大变形巷道支护中的优越性。现场工业性试验表明,采用长锚杆支护后,围岩控制效果更佳,且帮部长锚杆在扩帮时能够被重新利用,支护效果较好。     

深部软岩巷道巷帮长锚杆支护技术

为了解决深部软岩巷道巷帮变形大、扩帮后需补打锚杆的问题,在赵固二矿1105工作面回风巷两帮进行了围岩破坏规律研究,结果表明,煤壁、煤柱帮的深部裂隙扩展区范围可达3.3 m,巷帮破坏深度较大,常规锚杆长度小,锚固段不能锚固到深部稳定的区域,难以有效支护巷帮。通过对长锚杆结构、力学性能及优越性分析,认为长锚杆更能有效控制深部软岩巷帮变形,据此,提出了巷帮长锚杆支护技术。在赵固二矿1105工作面回风巷的现场应用也表明,巷帮采用长锚杆支护技术后,两帮移近量较小,达到40~70 mm后即趋于稳定,长锚杆锚固力最终稳定在140~150 k N,支护效果良好。     

极软煤层动压巷道围岩大变形特征及全锚索支护技术研究

极软煤层回采巷道巷帮变形破坏严重,传统锚网索支护无法有效控制巷道稳定,常常出现前掘后修的问题.以郭二庄矿22311工作面回风巷煤帮强烈变形问题为背景,分析极软煤体物理力学特征及破碎机理,研究巷道煤帮强烈大变形规律,提出巷道短锚索支护+长锚索补强的全锚索加固技术.结果表明:煤体表观上结构致密,实则其内部孔隙由大量的黏土矿物填充,致使煤体极易发生崩解破坏,煤体原始强度及开采扰动后残余强度均较低;煤样在外载荷作用下内部会形成竖向贯通性X型裂隙,巷帮煤体在该裂隙扩展中形成由外向内的渐进性滑移破坏线,导致巷帮部分锚杆失效、锚索破断;巷道全锚索支护较原锚杆支护围岩支护强度提高了1.67倍,煤体承载能力得到了加强,锚固结构控制围岩范围增大了近1倍,抑制了围岩滑移破坏.现场试验表明:巷道围岩变形满足正常使用要求,锚索受力在合理载荷范围内.全锚索支护技术是极软弱煤岩体巷道支护的重要方法之一.     

高煤帮破坏机理及控制技术

针对高煤帮巷道两帮的大变形问题,以霍尔辛赫煤层条件为例,数值模拟分析了其煤帮破坏机理,即在围岩压力下产生压剪破坏,四角形成强剪切区,连接成似"C"形剪切带,上部煤体斜向滑移,在巷帮中部变形最大;采用锚杆锚索联合支护后,剪切应变值及塑性破坏范围均有所减小。根据模拟结果及相关成功工程经验,提出煤帮层次化支护技术,即锚索或注浆锚索配合锚杆支护。在西辅运大巷进行了强力锚杆锚索控制高煤帮的现场试验,监测表明巷帮锚索有效控制了帮部顶角剪切滑移造成的失稳,巷道变形和离层均较小,取得较好支护效果。     

锚固位置对深部巷道围岩变形控制影响

以戛达煤矿1700运输巷为研究对象,基于FLAC^3D数值模拟软件,结合理论分析,研究不同锚固方式对巷道稳定性的影响,并针对性地提出控制巷道围岩变形的合理方案.研究结果表明：(1)巷道围岩的变形量与塑性区的大小呈正相关性,即巷道围岩的塑性区范围越大,巷道的形变量越大;(2)锚杆锚固端位于弹性区内比位于塑性区内更能有效控制巷道围岩塑性区的发展,也更能有效控制巷道的变形;(3)在大变形巷道中,巷道围岩的塑性区往往很大,锚杆长度难以满足要求,采用以“中空注浆锚索+锚杆”为主体,以“金属网+锚喷”为辅助的综合控制技术方案能有效控制巷道围岩的大变形.     

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。     

超大断面硐室围岩变形破坏机理及控制

针对断面面积近100 m2的大采高支架换装硐室,采用现场观测、数值模拟等方法分析其变形破坏机理:硐室断面增大致使围岩破碎区、塑性区增大,超大断面硐室塑性区半径达到普通断面硐室的2.2倍;断面增大引起掘进扰动应力增高,而锚杆加固厚度小、初期支护阻力小致使软弱围岩严重变形破坏。针对支架换装硐室0~2.5 m的破碎区、2.5~8.0 m的塑性区,提出了分区耦合支护围岩稳定控制原理:硐室围岩由浅至深破坏程度逐渐减小,达到稳定所需支护强度逐渐减小,采用高强高预紧力"锚杆、注浆锚索、锚索"支护及"分区注浆加固"技术,可形成针对破碎区、塑性区和弹性区的3个相互联系的承载圈,从而满足各个分区支护强度需要,实现支护结构和围岩共同承载,保证围岩稳定。     

大松动圈下锚固承载层支护效应的弹塑性解

对于大松动圈围岩巷道,锚杆和围岩共同作用在松动圈内部形成了“锚固承载层”。为研究大松动圈下“锚固承载层”对巷道围岩应力分布的影响,通过理论推导和实例分析,认为“锚固承载层”在极限平衡状态下对塑性区提供的支护强度[pid]由锚杆支护强度[pi]和锚固承载结构强度两部分组成,根据支护强度[pi]和锚固层厚度b的关系提出了“锚固界限厚度”概念。对于松动圈外的围岩,将巷道周边的应力分布进行了重新计算并与传统的Finner-Kastner解进行了比较。研究表明：承载结构在巷道稳定性控制中占据主导作用,支护强度和承载结构协调作用更有利于巷道维护,修正Finner-Kastner解可为深部巷道围岩支护机理研究以及巷道支护参数设计提供理论依据。     

高应力软岩巷道变形与破坏机制及返修控制技术

针对高应力软岩巷道的大量变形与破坏问题,以江西曲江煤矿-850 m水平运输大巷为例,研究了变形机理和返修控制技术。首先,对该大巷的变形及破坏情况选取7个具有代表性的地段进行现场调查,发现变形与破坏形式主要包括两帮内挤、侧墙张裂、U型钢棚架弯曲或折断、底板鼓起和顶板垮落等;进行了X衍射实验和围岩内部变形结构的现场窥视,表明该巷道围岩含泥质矿物较多,松动圈较大(4 m左右)。然后,采用巴顿分类Q值、地质力学RMR值和松动圈估计值等将-850 m水平运输大巷的各调查段巷道稳定性归为Ⅴ,Ⅳ和Ⅲ类,相应地将这3类巷道称为垮冒巷道、特殊巷道和标准巷道,并给出了初步支护方案。最后,借助于工程类比、围岩分类、截面面积校核和提出的锚固段长度经验公式等方法得到了返修巷道锚索(锚杆)的长度、间排距、强度、直径和锚固段长度等主要参数。由此,-850 m水平运输大巷试验段巷道选取了"锚杆、金属网、喷浆、锚索、注浆和底板锚索"的综合支护方式。应用表明:经过147 d,巷道两帮收敛量最大值仅为66 mm,顶底板移近量最大值仅为119 mm,监测后期的收敛速率均小于1 mm/d,处于稳定状态。     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。     

基于FLAC3D的深部巷道支护围岩稳定性研究

为了验证某煤矿巷道支护设计是否满足矿井支护要求,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了巷道周围煤岩体应力分布、巷道周围煤岩体塑性区分布、巷道周围围岩体变形规律以及巷道支护中锚杆、锚索轴向力分布。研究得出:巷道顶底板围岩变形为31 mm,巷道两帮变形量为22 mm,巷道右侧锚杆受力明显大于巷道左侧锚杆受力,巷道围岩出现失稳破坏。因此,在进行最终巷道设计时,应增加锚杆、锚索的抗拉强度及减少锚杆、锚索的间排距,从而达到巷道围岩的稳定性,保证矿井安全生产。     

高应力软岩巷道围岩塑性区恶性扩展过程及其控制

以曲江煤矿-850 m东大巷延伸段深部高应力软岩巷道为工程背景,采用理论分析、数值计算、现场试验等手段,分析了高应力软岩巷道围岩塑性区的产生、形成过程。塑性区的发展一般经历5个阶段,即塑性点的出现、塑性环的形成、塑性环局部畸变、塑性区非均匀扩展、塑性区恶性扩展等。认为巷道围岩失稳主要是塑性环的局部畸变导致了塑性区的恶性扩展所致,要控制巷道围岩稳定,关键对策是控制塑性环的局部畸变,其次是控制塑性区的恶性扩展,使围岩塑性区尽可能均匀缓慢发展。根据塑性区控制原理,提出了"锚网索喷+底板锚索+局部锚索或注浆加强"的支护方案并在该巷道实施。数值计算表明,该巷道塑性区总体均匀发展,没有发生恶性扩展。现场监测结果显示,所采用的支护方案较好地控制了围岩。     

基于基本顶断裂位置的综放沿空掘巷煤帮支护技术

针对深部综放开采大断面沿空掘巷不易支护的难题,采用理论分析及现场实践的方法,研究了深部综放开采大断面沿空掘巷煤帮的破坏特点,揭示了帮部长锚索结合锚网联合支护的作用原理,提出了根据钻进煤粉量的变化来判断基本顶断裂线位置及确定深部沿空巷道巷帮锚索支护长度的方法,并在东滩矿1306工作面验证了该方法的有效性。研究表明:深部综放开采大断面沿空掘巷具有水平变形大,两帮鼓出大,特别是实体煤帮鼓出严重的特点;帮部长锚索结合锚网联合支护能够在浅部通过锚杆群和金属网形成点面结合的支护体系形成挤压加固墙,从而抵抗塑性区煤体对其侧向压力,起到加固巷道的作用;基于钻进煤粉量、围岩压力和顶板的断裂之间的联系,提出了深部综放开采大断面沿空掘巷实体煤帮的控制对策和深部沿空巷道实体煤侧巷帮锚索支护长度的确定方法;以东滩矿1306轨道巷为例进行了实体煤帮的钻孔煤粉测试,并基于测试结果进行了实体煤帮加固设计;现场工程实践表明加固后实体煤帮的水平变形明显减小,证实了该加固方法的有效性。     

深部软弱破碎复合顶板煤巷稳定控制技术

针对深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷易冒顶、大变形、难支护等特点,基于锚杆和锚索支护理论,提出了兼具组合梁和组合拱承载效应的梁-拱锚固承载结构,分析了梁-拱锚固结构的几何特征,揭示了不同锚固参数条件下梁-拱锚固结构的形成过程及演化规律,反映了不同支护形式下煤巷顶板的锚固结构效应。采用FLAC~(3D)模拟研究了4种支护技术方案条件下深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩位移与塑性区损伤扩展演化规律,揭示了不同支护技术方案对矩形断面煤巷围岩的控制效果,验证了采用基于梁-拱锚固结构的深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷支护技术方案的合理性,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"梁-拱锚固结构"支护技术方案有效地控制了深部软弱破碎复合顶板煤巷离层与大变形,维持了深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。