深部典型回采巷道圍巖變形破壞特征及控制機(jī)理研究.pdf

1、隨著煤礦開采深度的增加，回采巷道圍巖變形量大、支護(hù)體變形失效多、巷道斷面收縮嚴(yán)重等礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，有關(guān)深部回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)的研究越來越成為確保工作面安全高效生產(chǎn)的重要課題。以淮南礦區(qū)13-1煤回采巷道賦存及工程條件為背景，在調(diào)研深部典型回采巷道支護(hù)及圍巖變形破壞現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開展深部典型回采巷道圍巖變形破壞特征及控制機(jī)理研究，采用地應(yīng)力實測、相似模擬、數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場實測等綜合研究方法對深部典型回采巷道圍巖變形破

2、壞特征及控制機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1)分析深部回采巷道地質(zhì)工程條件，開展圍巖力學(xué)參數(shù)、地應(yīng)力參數(shù)測試及掘進(jìn)回采期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究，獲得深部典型回采巷道的圍巖力學(xué)及礦壓顯現(xiàn)特征。
　　2)在深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室開展了大尺寸、真三軸應(yīng)力下煤巷圍巖變形破壞特征的模型試驗研究。獲得了淺埋靜水壓力、深埋靜水壓力、初掘采動應(yīng)力(k=1.5倍900m埋深靜水壓力，后同)及回采動壓(k=2～4

3、.5)等不同應(yīng)力環(huán)境下矩形、直墻拱形共四種尺寸的煤巷圍巖應(yīng)變、變形及破壞特征，結(jié)果表明:隨加載壓力增加，煤巷圍巖經(jīng)歷了小應(yīng)變、淺部拉伸深部壓縮的分區(qū)應(yīng)變到高應(yīng)力下拉應(yīng)變區(qū)范圍不斷擴(kuò)展的變化過程，獲得了拉壓分區(qū)應(yīng)變產(chǎn)生的條件:頂?shù)装濉⑤d荷集度介于900m靜水壓力～k≤2之間、直墻拱形更易出現(xiàn)，研究還發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力下拉應(yīng)變擴(kuò)展范圍超錨索支護(hù)長度。監(jiān)測底鼓隨加載壓力變化表明:高應(yīng)力是巷道底鼓量大、底鼓速度加快的主要原因，斷面形狀對底臌也有一定的影

4、響，直墻拱形較矩形小。斷裂絲監(jiān)測結(jié)果顯示:巷道破壞先后順序為:巷幫首先發(fā)生破裂，進(jìn)而傳遞到底角，最終巷道頂板產(chǎn)生明顯離層;試驗還得到大斷面預(yù)留大變形是深部典型回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制的有效途徑之一。
　　3)數(shù)值模擬研究深部典型回采巷道圍巖穩(wěn)定性影響因素（采高、面長、埋深、錨索支護(hù)體長度）結(jié)果表明:(1)回采巷道初掘期間，應(yīng)變軟化是圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素。軟化模量為Q=2.0GPa時深部典型回采巷道的圍巖變形和礦壓實測結(jié)果更為吻合

5、，且軟化后巷道圍巖塑性區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較多范圍的拉破壞區(qū)，與模型試驗結(jié)果一致。(2)工作面回采期間，采用單因素法分析了四因素對面前方回采巷道兩幫老頂支承壓力峰值的影響，獲得了相應(yīng)的峰值應(yīng)力變化規(guī)律。(3)采用極差分析法確定埋深是影響回采巷道圍巖穩(wěn)定性的主要影響因素，擬合得到了四因素隨埋深變化關(guān)系式，相關(guān)性很好，結(jié)果表明:幫部圍巖變形呈線性增加，頂?shù)滓平手笖?shù)增長，隨埋深增加，幫部增速較頂?shù)卓欤裆?00m時，各移近量相當(dāng)，加強(qiáng)幫部支護(hù)和控制頂板

6、離層應(yīng)并駕齊驅(qū)。
　　4)初掘期間，基于M-C、D-P準(zhǔn)則，按應(yīng)變軟化、碎脹擴(kuò)容條件分析了深部軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍的影響因素，研究發(fā)現(xiàn)同梯度增加的軟化模量、支護(hù)力(△Q=1GPa、△Pi=0.15MPa)對巷道圍巖軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍的影響，初始段較后續(xù)段大，基于D-P準(zhǔn)則簡化計算得到走向高應(yīng)力是軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍增長的不利影響因素之一，代入典型條件煤巷參數(shù)計算分析了軟化區(qū)、殘余區(qū)范圍，發(fā)現(xiàn)殘余區(qū)范圍超過一般幫錨桿支護(hù)長度(小于等于2

7、.5m)，需加強(qiáng)幫部支護(hù)。
　　5)回采期間，基于損傷理論、材料力學(xué)理論，構(gòu)建了堅硬老頂“梁”模型研究了工作面?zhèn)?、實體煤側(cè)巷道深部圍巖彈塑性交界處頂板壓力大小對老頂撓度的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨老頂垂直壓力增加，撓度增加很快;同時其最大撓度位置隨壓力大小及距巷表距離發(fā)生改變。依據(jù)最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，分析了堅硬頂板的拉破斷特征，計算得到高應(yīng)力下巷道頂板基本處于拉破壞失穩(wěn)階段。
　　6)為防止拉破壞失穩(wěn)，提出幫角頂板加強(qiáng)支護(hù)減少頂板下沉

8、位移，依據(jù)超靜定梁的求解步驟，采用解除約束的辦法分析老頂巖梁受力變形，求出作用于頂板的支護(hù)力及其撓度曲線，得出了巷道上方頂板反彈的曲線，理論上解釋了頂板壓縮變形及壓縮區(qū)存在的可能。
　　7)在總結(jié)模型試驗、數(shù)值計算、理論分析等深部典型回采巷道圍巖變形破壞特征的基礎(chǔ)上，提出“開掘方向優(yōu)化”、“強(qiáng)幫護(hù)兩側(cè)頂”、“斷面形狀優(yōu)化”、“分區(qū)分級加強(qiáng)”等控制原則，并優(yōu)化同類條件破壞變形嚴(yán)重的回采巷道支護(hù)方案，方案實施后，深部典型回采巷道圍巖變