深部开采冲击地压煤层防冲支护系统研究

伴随矿山开采深度的增加和开采速度的提升,冲击地压成为严重危害我国矿山安全生产的重大隐患。一套安全可靠的支护系统,在冲击地压防治中具有重要作用。结合义煤集团跃进煤矿25110工作面实际地质情况,基于该区域矿压规律,针对性地设计了一套防冲支护系统,确保了回采过程中的巷道安全。     

巷道防冲液压支架研究及应用

针对现有巷道支护难以抵抗冲击地压产生的强震强冲作用从而造成支护失效、巷道垮塌及人员伤亡这一难题,基于巷道围岩-支护系统的静力学与动力学理论分析,提出了防冲支护设计的6项原则,即让位阻力可变原则、让位位移可变原则、让位刚度可变原则、让位频率可变原则、让位速度可变原则和让位能量可变原则。研制了具有吸能功能的巷道防冲液压支架,通过实验室试验对支架防冲装置中的诱导式预折纹构件进行了吸能特性研究,得到:单节防冲构件平均让位阻力1 820 kN,让位位移100 mm,让位刚度和频率为0,让位速度为2.3 m/s,让位吸能为182 kJ;双节防冲构件平均让位阻力为2 010 kN,让位位移为200 mm,让位刚度和频率为0,让位速度为2.2 m/s,让位吸能为402 kJ,2种构件的实验结果都达到防冲液压支架的技术参数要求。进一步,对防冲液压支架在耿村煤矿井下的支护状态与吸能防冲效果进行了监测与分析,发现:防冲液压支架在M_L3.0级强震过程中让位最大达16 cm,发挥了预期的吸能防冲作用,同时间接地证明了防冲支护设计原则的合理性。     

冲击倾向性围岩沿空掘巷防冲控制原理及应用

针对冲击倾向性围岩条件下沿空掘巷的防冲及稳定性控制问题,从应力控制和支护系统设计两方面入手,在分析巷道诱冲因素和变形特征的基础上,提出了冲击倾向性围岩沿空掘巷的防冲控制原理.即合理设计窄煤柱宽度有效降低围岩应力,人为制造软弱夹层释放围岩应力、吸收冲击能,高性能锚杆支护技术体系强化围岩支护小结构强度.现场实践表明,综合采用上述3方面技术措施后,可实现对冲击倾向性围岩条件下沿空掘巷的有效控制,工作面准备及回采期间没有冲击矿压发生,巷道变形满足安全生产要求.     

“锚杆与锚索圈层防冲支护结构”防冲原理浅析

目前煤矿开采深度日趋增加,由于煤体内的应力几乎与采深成正比,采深越大,煤体内的应力越高,发生冲击地压的可能性就越大,特别是工作面顺槽发生冲击地压的危险性也越大,因此,研究工作面顺槽支护结构的防冲原理具有重要的意义,而目前工作面顺槽的支护形式大多采用锚杆、锚索耦合支护,了解其防冲支护结构,可更好的优化工作面顺槽的防冲支护设计.     

巷道围岩动载失稳数值分析

针对应力波扰动对巷道破坏的影响,采用非连续离散元软件3DEC对应力波扰动作用下巷道围岩破坏形态受巷道埋深H、扰动应力波强度Pmax显著相关因素的影响进行了有效的数值模拟,得到了不同情况下巷道围岩破坏的形态及区域范围等特征,以及围岩响应速率、响应变形及相应能谱分析。结果表明,应力波扰动导致巷道轮廓面附近区域出现裂隙延伸及贯通继而形成宏观裂纹,并最终导致层状岩体破断垮落。     

巷道围岩破碎区吸能防冲性能研究

为了掌握冲击载荷在围岩破碎区传播衰减规律,揭示巷道围岩破碎区的吸能防冲机理,提高巷道支护系统的防冲支护性能。从理论上分析了围岩破碎区形成机理与吸能防冲机理,给出了破碎区半径解析解。为了深入研究破碎区煤岩的吸能防冲性能,采用落球冲击筒内煤岩块实验装置,研究煤岩散体块径及厚度对破碎煤岩散体的吸能缓冲性能影响,实验结果表明：破碎煤岩散体具有良好的吸能缓冲性能,随着煤岩散体块径的增大,煤岩散体的吸能缓冲性能有所提高;随着煤岩散体厚度的增加,煤岩散体的吸能缓冲性能增加,煤岩散体厚度增加到一定程度时,其厚度对吸能缓冲性能影响不再明显。研究破碎区煤岩在冲击载荷作用下的吸能缓冲性能,揭示围岩破碎区的吸能防冲机理,为研究围岩破碎区防治冲击地压以及研发新型吸能防冲支护技术提供依据。     

防冲支架的核心吸能构件设计与吸能性能研究

为了解决巷道液压支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题,设计了一种能够快速变形让位、吸收冲击能的构件,用于门式吸能防冲液压支架中,从而保护液压立柱不损坏并且支架结构不失效。对吸能构件的构型进行设计并且研究了其吸能性能。首先,基于门式吸能液压支架的防冲功能提出吸能构件在承载力、反力变化、吸能方式、吸能量以及稳定性5个方面的性能要求。然后对吸能构件的构型设计及其吸能原理进行了详细论述,并结合数值模拟对构件的屈曲吸能机理进行了分析。最后通过室内实验,研究了1∶1吸能构件的力学性能,实验结果表明:吸能构件承载力均值为2 428 kN;后屈曲反力变化相对比较平稳;压缩量达50%时吸能量均值为357 kJ;吸收能量都转化为构件不可恢复的变形能;屈曲过程稳定且与数值模拟结果非常接近。     

矿震动载对围岩的冲击破坏效应

分析了矿震激发震动波能量的传播模式、衰减特征及动态应力降大小,并基于能量和刚度理论,分析了动静载组合作用下巷道煤体的冲击破坏机理。研究表明,矿震震动能量的传播衰减特征主要依赖于能量几何扩散、传播岩体介质的阻尼衰减,以及矿震震源的震动位移场和能量辐射特征的综合影响。矿震动载传播至采场或巷道围岩时,分别与煤岩系统的静态应力（能量）场进行能量标量和应力矢量叠加。矿震动载的能量叠加可使煤岩系统聚集的能量增加,而应力叠加使系统内煤体变形破坏做功所消耗的能量减小,从而使系统聚集和消耗的“差能”增加。系统可释放的“差能”越多,煤体失稳的可能性越大,当动静载组合作用下煤岩系统同时满足冲击矿压发生的能量和刚度条件时,煤层发生动态冲击破坏。     

低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制试验研究

通过在低强度软岩巷道进行的大变形围岩稳定控制试验及计算,分析了各种支护方式的试验效果,得出一次锚网喷、二次大刚度、高强度支护控制低强度软岩巷道围岩稳定是科学合理的。低强度软岩巷道大变形围岩稳定控制的机理为：一次支护让压,围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡,充分发挥围岩承载力;二次大刚度高强度支护,减少巷道岩体偏应力,使巷道围岩切向应力相对降低,径向应力相对升高,应力状态优化,促进围岩应力向稳定应力状态转化。     

破碎围岩巷道变形破坏特征及锚喷支护

根据玻碎岩体巷道锚喷支护的破坏多发生在应力调整期的特点,论述了围岩破坏形式及影响因素,提出了玻碎围岩巷道锚喷支护的要点。     

基于离散元的动载冲击地压巷道围岩稳定性分析

本文以陈家沟煤矿8514工作面为工程背景,针对目前动载作用下的巷道变形失稳等问题,借助离散元程序UDEC揭示动载作用下巷道围岩的响应特征,分析了不同距离动载对巷道稳定性的影响。数值模拟结果表明:底板变形破坏范围会因动载与巷道顶部距离减小而增加,两者呈正相关关系,但动载与巷道顶部距离对两帮和顶部变形破坏范围影响较小;动载作用下,巷道震动速度类似于正弦波的形式逐渐衰减并且存在峰值。文章研究结果旨在为动载作用下冲击地压巷道围岩稳定性分析提供相应的理论支撑。     

周期性边界下围岩温度场有限体积法分析

为研究矿井风流温度周期性变化对巷道围岩温度场的影响,依据能量守恒定律及围岩散热的特点,建立了周期性变化边界条件下的一维非稳态导热控制方程。引入了无因次准数,对围岩导热控制方程进行了无因次化,并利用变量分离法对控制方程进行了分解,然后运用有限体积法对分解的方程建立了热平衡方程,最后编写VB程序进行了求解。结果表明:在周期性边界条件下,围岩体各处的温度随时间周期性地波动,并且温度波动的振幅随围岩深度的延伸呈负指数规律变化,围岩体不同层面上的温度波具有振幅衰减和波动延迟的特点。综合以上分析,推导了巷道围岩体温度随深度和时间变化的函数关系式,并得到了巷道壁面热流波的计算公式,该研究加深了对周期性边界下围岩温度场变化规律的认识。     

不稳固围岩倾斜矿体安全开采工艺技术试验研究

安庆铜矿2#矿体产状复杂、围岩稳定性差,开采困难。为保障矿山生产能力,安庆铜矿开展了不稳固围岩倾斜矿体安全开采工艺技术试验研究。通过上盘围岩锚喷网+长锚索加固,降低最大单段装药量,缩短空区暴露时间等,选用小孔径VCR法拉槽的深孔高分段采矿嗣后充填法对2#矿体进行开采,获得了良好的技术指标,实现了此类矿体的安全高效开采。     

基于三剪能量理论的巷道围岩弹塑性分析

针对弹塑性圆形巷道,应用三剪能量屈服准则,理论推导了塑性区半径、应力及径向位移公式,在塑性区半径公式的基础上,应用Mohr-Coulomb准则,进一步推导了破裂区应力及位移公式;通过具体算例,分析了不同影响因素对塑性区半径的影响。实例表明：原岩应力、黏聚力、支护反力、围岩应力对塑性区半径有一定影响。原岩应力及支护反力均随塑性区半径的增大而增大,但支护反力对塑性区半径的影响变化不大,当增大到一定程度时,半径将保持不变;黏聚力随塑性区半径的增大而降低;围岩应力随塑性区半径的增大而增大,当半径达到塑性区半径时,切向应力将保持不变,其值为原岩应力值,而径向应力在一定范围内仍将保持递增,但递增率减小,一直到原岩应力值;对比于单剪条件（Mohr-Coulomb准则）,得出了三剪能量准则条件下的巷道围岩弹塑性公式比Mohr-Coulomb准则条件更为准确的结论。     

大磨岭煤矿滑动破碎围岩巷道非对称变形特征及控制对策研究

根据神火集团大磨岭煤矿-426m水平西回风大巷的支护现状及滑动构造特殊地质条件,采用现场巷道变形观测及钻孔窥视效果分析总结出巷道围岩非对称变形特征及其影响因素。结果表明,巷道围岩松动圈发育随巷道暴露时间的增加而增大,受层面滑动等影响同断面内松动圈发育呈不对称分布。基于上述研究提出了"长锚杆顶锚索不对称联合支护技术",利用3m长锚杆控制浅部围岩强度,调整锚杆间排距、锚索以及高强底脚锚杆对产生层间滑移变形等关键部位进行加强支护。     

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

薄煤层开采支架与围岩的作用关系

通过薄煤层综采工作面矿压观测研究 ,运用传递岩梁理论 ,分析了支架与围岩作用机理 ,围岩活动与支架受载关系以及支架支护效果