底角锚杆在深部软岩巷道底臌控制中的机制 及应用研究

 底臌作为深部巷道围岩变形与破坏的主要方式,一直是煤矿深井开采及其他地下巷道工程中难以解决的问题之一,如何有效地控制底臌成为巷道支护中首要考虑的问题。通过多个试验巷道工程底臌控制措施的对比研究表明,底角锚杆技术对于控制底臌起到了积极的作用。运用三维数值模拟方法,研究底角锚杆在控制巷道底板变形中的力学过程,分析分步开挖下底角锚杆力学性能发挥的时间效应,从而提出底角锚杆控制底臌的工作机制。底角锚杆在控制底板变形中的作用,主要是通过成排置入底板的杆体,利用材料自身的抗弯刚度,切断底板基角部位的塑性滑移线,对于岩体结构为块状结构或块裂结构的深部软岩巷道支护工程,可以有效控制巷道底臌。同时,结合具体的深部巷道工程实例,针对巷道底臌的变形机制及变形特征,合理应用底角锚杆控制底臌技术,提出非对称设计方法,有效控制了底板变形,对于深部巷道底臌的控制及防治具有理论指导意义。     

断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析

断层破碎带岩性复杂,巷道压力显现规律多变。对巷道过断层破碎带的监控量测能够及时掌握断层破碎带围岩的变形与支护结构受力信息,评价各种支护所取得的效果及判断施工方案的合理性。淮南矿区顾北煤矿南翼回风大巷穿越断层破碎带,区域地质条件复杂,受构造运动影响,围岩内赋存高水平地应力,巷道处于深部大规模松软围岩内。为研究施工期和运行期巷道围岩的稳定性演化规律,对围岩表面位移、深部位移、锚杆和锚索锚固力及支架压力的变化和分布规律进行监控量测。监测结果显示:(1)由于受F92大断层的水平剪切和挤压作用,与顶拱和两肩相比,巷道两帮的水平位移较大,而锚杆受力较小,锚固作用得不到有效发挥,因此,在F92大断层附近增大了锚索和注浆的支护强度;(2)围岩表面位移和深部位移的监测结果均呈现"底臌变形大于两帮收敛大于拱顶下沉"的分布规律,显示出底板是巷道支护的薄弱环节,因而提出应用底角注浆锚管和帮脚锚杆抵抗底角应力集中区的剪切滑移,底板锚索和底板注浆增强加固底板,提高底板岩体抗剪强度的支护修改方案,底臌量得到有效控制;(3)U型钢支架压力的监测结果显示,围岩作用于U型钢支架上的压力仅为0～0.24MPa,远小于0.4MPa的支架设计承载能力,说明巷道稳定主要是依靠锚注支护来维护,而U型钢支架的作用主要是巷道施工过程中工作面的安全防护。通过对监测结果的分析,为巷道的信息化施工和设计方案的优化调整提供依据。其监测分析成果也可为类似复杂条件下巷道的开挖支护设计和施工提供参考。     

采动影响下大跨度煤巷耦合支护技术研究与应用

 为解决多次采动影响下大跨度煤巷支护难的问题,以高家梁矿20108工作面回风巷道为例,通过分析工程地质条件和工程岩体特性可知,20108回风巷道属于应力扩容膨胀型复合地质软岩,确定力学破坏机制为IABCIIBDIIIDA复合型变形力学机制,提出采用锚网索带注耦合支护方案。基于FLAC3D数值软件,对锚网索带注耦合支护方案进行数值计算,计算结果显示,与无耦合支护对比,屈服区域显著缩小,顶底板和两帮变形都得到有效控制。现场监测煤巷围岩变形表明,多次采动影响下煤巷两帮变形速率大于顶底板,表明两帮变形速率控制着20108回风巷道的使用功能。研究结果表明,锚网索带注耦合支护在采动影响下大跨度煤巷支护中取得良好的支护效果,数值计算表明,采动影响下大跨度煤巷采用耦合支护技术是可行的;现场监测结果也验证耦合支护技术的有效性和可靠性。     

巨厚煤层三软回采巷道恒阻让压互补支护研究

 针对沈阳清水煤矿第三系巨厚大地压软围岩煤层回采巷道开掘后支护失效严重、围岩大变形及4次返修无法稳定的现象,分析围岩塑性流变、非对称变形破坏、支护体与围岩大变形不协调等变形力学机制。提出采用恒阻大变形锚杆初次支护,在恒阻力作用下保护锚固体的承载力,通过恒阻锚杆的延伸多次释放变形能,将集中应力转移到深部,调动深部围岩承载能力,形成稳定的塑性承载圈;然后针对回采巷道变形特点采用顶板加强、两帮让压、底角加固的二次互补加强支护,形成适应三软巷道变形特征的围岩–支护协同承载体,将围岩变形速率控制在合理范围。基于该方法下提出的锚索+恒阻大变形锚杆+钢带+底角锚注联合支护设计,在该矿南二采区205工作面运输顺槽中使用后,顶板下沉降低75%,两帮收缩减小60%,底臌减小42%,巷道支护状况得到明显改善。实践证明,恒阻让压互补支护系统可有效控制三软巷道围岩稳定。     

大跨度动压损毁回采巷道修复与支护技术研究

 针对陕西彬长集团公司大佛寺煤矿大跨度动压损毁回采巷道支护难题,从工程地质条件、动压影响方面分析复杂围岩环境下回采巷道变形破坏特征,得出局部构造应力、底板遇水强度劣化、动压以及爆炸冲击的综合作用是回采巷道出现大跨度、底臌、顶板下沉以及最终导致支护失效的主要原因。以40106工作面运输巷为工程实例,基于一体化控制思路,确定锚网索、强力单体点柱、角锚杆综合互补控制的修复方案并将其应用于工程实践。现场观测结果表明,通过减小巷道跨度、增强顶板、两帮支护强度可以有效控制大跨度动压软底回采巷道顶板下沉和底臌。     

平顶山矿区深部大规模松软围岩巷道支护技术

针对平顶山矿区深部大规模松软围岩稳定性控制问题，以典型大规模松软围岩巷道为研究对象，研究确定其围岩的赋存条件，采用离散元方法模拟巷道围岩的变形破坏过程，揭示其破坏机制，提出相应的支护对策，结合深部巷道围岩稳定性控制理论拟定支护的总体思路，确定具体支护方案，研发围岩巷道的抗折抗裂喷层技术及深部巷道底臌治理技术。研究结果表明：围岩承受的高地应力与其自身低强度之间的矛盾是造成深部大规模松软围岩巷道失稳的主要原因；巷道首先在拱顶、底板中央区及两侧边墙受张拉破坏，拱肩及两侧底角受剪破坏，破坏区范围逐渐向深部扩展直至失稳。现场实测数据表明：在方案实施2个月后，锚杆、锚索受力在较高值趋于恒定，充分发挥了支护作用；水平收敛、拱顶下沉和底板臌起趋于稳定，大规模松软巷道围岩稳定性得到有效控制。     

深部岩巷极破碎围岩成套耦合支护技术

煤矿底部高地应力软岩巷道在开挖、支护后会表现出的连续底臌、顶沉、肩缩等非线性大变形现象,这些现象具有明显流变性质。结合工程实际研究高应力软岩巷道变形及成套耦合支护技术。结果表明:1产生非线性变形破坏的关键部位在煤矿底部高应力倾斜岩层巷道断面与岩层倾斜方向成钝角的部位;2围岩塑性区的大面积扩展直接导致巷道两肩收敛变形严重;3底部高强地应力与构造应力叠加,导致无支护的底板岩土体发生塑性流动,形成连续性底臌变形,诱发岩巷两肩剧烈收敛。以锚网支护为基础,提出成套耦合支护控制方法,施以补强锚索、二次加密高强锚杆、持续渐进让压托盘、设置底角锚杆、加护底板注浆锚杆、使用可缩性U形钢支架等支护方法控制巷道非线性变形。通过数值模拟分析成套耦合支护技术的支护效果,对比现场监测结果,验证支护实际功效。     

深部机头硐室锚注和底板卸压联合支护技术研究

新庄煤矿胶带暗斜井沿煤层布置,暗斜井内铺设强力胶带输送机,第二部机头硐室变形破坏明显。研究该硐室锚注加固和底板卸压技术,对于硐室围岩的长期稳定具有重要的现实意义。基于硐室工程地质条件,采用理论分析、数值计算和现场工业性试验进行系统研究,研究结果表明:(1)硐室围岩岩性差,受井筒保护煤柱固定支承压力的作用,硐室围岩应力高、围岩有效载荷系数较大,造成硐室底臌和围岩变形破坏严重。(2)与卸压前相比,硐室底板开挖卸压槽以后,明显降低了硐室底板围岩铅垂应力和两帮围岩水平应力,而硐室顶板围岩铅垂应力、两帮水平位移量基本保持不变,所以底板卸压槽有利于硐室围岩的长期稳定。变形严重的机头硐室采用锚(索)网喷联合支护翻修以后,底板开挖卸压槽,硐室顶板、两帮采用注浆锚杆注浆,且两帮、底板(含卸压槽)采用锚索束注浆。项目实施以后硐室围岩处于稳定状态,现场工业性试验取得了成功。     

南阳坡矿沿空巷道底鼓成因分析及支护技术

针对南阳坡矿沿空巷道底板变形控制困难的问题,分析了其工程地质条件,并通过建立沿空巷道底板力学模型推导出巷道底板应力、应变公式,计算并总结了巷道底鼓成因。在研究底角锚杆支护原理的同时,采用数值模拟的方法,对比分析了无底板支护和加强底板支护条件下围岩位移和塑性区的分布情况,验证了通过提高底板围岩强度抑制底板变形的可行性。以南阳坡矿5800沿空巷道为研究背景,设计出该沿空巷道的底板支护方案为:底板锚杆、底角锚杆以及注浆加固,并通过现场观测,进一步证明了该支护方案的现场实际应用效果。应用结果表明,该支护方案能够有效提高底板围岩强度,改善底板变形,控制底鼓。     

地质异常带巷道稳定控制对策及效果研究

 从地质异常带工程地质条件出发，进行石门揭煤的突出危险性评价及进一步防治，确保所揭11–2煤层没有突出危险性。提出超长孔钻杆注浆与钻杆埋入钻孔相结合的新型超前支护技术，并对其作用机制及支护工艺分别进行分析和介绍；开挖实践表明：新型预支护手段为巷道开挖和后续支护创造了理想的施工环境。初步支护后巷道变形监测及分析表明：在同一监测断面上，底臌变形最为严重，帮、顶收敛变形次之；在不同监测断面上，巷道围岩破碎程度越严重，巷道变形越显著。巷道变形破坏原因分析表明：除围岩自身工程地质条件及地应力对巷道变形有重要影响外，关键取决于巷道本身的施工控制条件，其中底板弱支护是导致巷道严重底臌，进而造成全断面失稳破坏的根本诱因。之后，提出新型预应力组合锚注底臌治理技术，并对其加固机制及施工工艺分别进行分析和介绍。底臌治理前后表面位移及深部位移监测结果的对比分析表明：新技术对巷道底臌治理效果显著，巷道围岩表面及深部变形速率显著降低，围岩整体稳定已基本得到控制。     

深部开采中巷道底鼓问题的研究

巷道围岩控制是深部资源开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。在大量现场研究、实验室模拟实验和数值计算的基础上，探讨了巷道底鼓的基本特征，分析了4种类型底鼓的机理及影响因素，综述了我国近年来防治底鼓的有关研究成果，最后介绍了2个防治巷道底鼓的实例。     

开滦矿区深部开采中巷道围岩稳定性研究

在对开滦矿区赵各庄矿、唐山矿深部开采过程中巷道围岩变形、破坏特征和矿井动力显现观测的基础上,结合数值模拟研究发现:(1)开滦矿区在千米深开采时水平构造应力远大于自重应力,原岩应力值远大于巷道围岩强度值,巷道将不可避免地要遭受破坏并表现为大变形强流变和严重底鼓;(2)随着开采深度增大,软弱煤岩层发生冲击地压的危险性随之增大,通常以煤层的整体突出为特征,其发生机理和高应力状态下硬岩(煤)中的岩爆有区别;(3)原岩应力状态对巷道围岩的变形破坏有着重要影响,而巷道形状对巷道围岩的破坏形式影响不大。     

加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究

巷道围岩是由顶板、底板、两帮组成的复合结构体,回采巷道两帮为软弱煤体,直接影响到底板的稳定性。通过数值计算,模拟了两帮煤体强度对底鼓的影响,煤体强度越大,底鼓量越小,反之,底鼓量越大。因此,提出了加固两帮控制深井巷道底鼓的构想,工程实践证明,加固两帮可在一定程度上控制深井回采巷道底鼓。     

软岩巷道底臌的治理

通过对软岩巷道底臌特征的总结分析,得出某矿软岩巷道底臌机理及主要影响因素,针对现场实际提出了加强帮、角的控制可控制底臌,通过现场施工证明,效果理想。     

软岩大变形巷道底臌破坏机制与支护技术研究

 随着资源开采由浅部向深部转移,如何有效地控制底臌成为深部软岩巷道支护中首要考虑的问题。针对国投新集刘庄煤矿围岩破坏严重、难支护的情况,结合刘庄煤矿制冷硐室所处的地质环境特点,在巷道围岩的物理力学特性、岩石矿物成分分析、现场地应力测量、现场大型真三轴流变试验的基础上,分析巷道底臌的主控因素,研究表明：本巷道底臌变形主要是由于软弱围岩在较高的水平构造应力作用下,产生明显的流变变形所致。在此基础上,对该巷道进行支护设计优化,提出一种由U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充结合预应力锚索的被动卸压与主动施压相结合的底臌变形控制方案,并通过数值方法验证该方案的合理性。     

洞空巷道底鼓力学原理及控制技术的研究

应用数值模拟方法对沿空巷道围岩的应力分布和底鼓过程进行了分析,认为沿空巷道靠近采空区的底板中无水平应力的影响,底板岩层在实体煤帮高应力的作用下向巷道内和采空区运动形成底鼓,而窄煤柱在底鼓过程中起到了抑制作用.同时介绍了沿空巷道的底鼓控制技术及其在工程实践中的应用.     

超千米深井巷道围岩变形特征与支护技术

为解决超千米深井巷道支护难题,以新汶矿区深井巷道为工程背景,分析深部矿井地应力、围岩强度与结构等地质力学参数分布特征,超千米深井巷道围岩、支护体变形及破坏状况。采用UDEC数值模拟软件,研究不同支护方式与参数下超千米深井岩巷围岩变形、破坏特征与支护作用。基于实测与数值模拟研究结果,确定新汶华丰矿-1180回风大巷采用全断面高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合支护加固方式。详细介绍-1180回风大巷支护井下试验,包括支护参数设计、支护材料、底板注浆锚索施工工艺及矿压监测结果。通过分析围岩位移、顶板离层及锚杆、锚索受力监测数据,评价回风大巷支护效果。井下试验表明:高预应力、高强度锚杆与锚索及注浆联合加固技术,能够有效控制超千米深井岩巷大变形,保持围岩长期稳定。最后,针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

深部复合顶板煤巷变形破坏机制及耦合支护设计

煤矿开采进入深部以后，地质力学环境远比浅部复杂得多，由此引起的各种非线性力学现象越来越严重，给深部支护与开采带来很大的难度。夹河矿2442工作面上材料道复合项板松散、破碎，采用原支护形式很难有效控制，进而加剧两帮收缩和底板臌起，严重影响巷道的正常掘进和安全生产。通过对该巷道工程地质条件的综合分析和地质力学评估，采用数值模拟和理论分析方法研究该类巷道的变形破坏机制，有针对性地提出锚网索耦合支护设计方案，现场试验结果表明该支护设计方案可取得良好的支护效果。