深部厚頂煤巷道圍巖破壞控制機(jī)理及新型支護(hù)系統(tǒng)對比研究.pdf

1、煤炭開采進(jìn)一步向超千米深井發(fā)展是我國煤炭行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而厚煤層開采又是煤炭深井開采的一個重要內(nèi)容。巨野礦區(qū)深部厚頂煤開采中暴露出的各種問題對我國此類巷道支護(hù)提出了更高的要求。
　　 深部厚頂煤巷道兩幫及頂板均為軟弱煤體，開挖以后易出現(xiàn)較大范圍的破裂區(qū)，頂板煤體碎脹嚴(yán)重，極易與基本項產(chǎn)生明顯離層，頂板下沉量大，且持續(xù)變形，給巷道圍巖控制帶來極大困難。目前，有關(guān)深部厚頂煤巷道圍巖變形破壞及穩(wěn)定性控制機(jī)理方面的研究還很少，且在現(xiàn)

2、有的巷道支護(hù)體系中，適合此類巷道經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)手段還很欠缺。因此，從根本上認(rèn)識深部厚頂煤巷道的圍巖變形破壞機(jī)理，提出合理的支護(hù)對策，對我國深部厚煤層開采具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
　　 本文以巨野礦區(qū)典型的深井煤礦-趙樓煤礦為工程背景，針對深部高地應(yīng)力作用下厚頂煤巷道支護(hù)難題，通過現(xiàn)場實測、理論分析、材料研發(fā)、數(shù)值分析、模型試驗及現(xiàn)場試驗等手段相結(jié)合的方法，對深部厚頂煤巷道的變形破壞及圍巖控制機(jī)理進(jìn)行研究，并研發(fā)出適用于該類巷道

3、支護(hù)的讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)。本文進(jìn)行的主要工作及創(chuàng)新點如下:
　　 1.深部厚頂煤巷道變形破壞規(guī)律現(xiàn)場實測研究。對趙樓煤礦深部厚頂煤巷道水文地質(zhì)、地應(yīng)力、巖石物理力學(xué)性質(zhì)等工程地質(zhì)條件及原支護(hù)條件下礦壓、圍巖變形破壞與支護(hù)構(gòu)件受力狀態(tài)等進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測研究。通過研究分析得到趙樓煤礦深部厚頂煤巷道頂板圍巖碎脹變形嚴(yán)重、離層量大、變形持久不可控的主要原因及機(jī)制。
　　 2.厚頂煤巷道頂板冒落機(jī)理研究?；谒苄粤W(xué)的極限分析理論

4、，采用廣義Hoek-Brown經(jīng)驗強(qiáng)度準(zhǔn)則，考慮了巷道頂板圍巖應(yīng)力與支護(hù)荷載的作用，推導(dǎo)出了巷道頂板冒落的跡線方程，討論了不同巖體力學(xué)參數(shù)、圍巖應(yīng)力水平與支護(hù)荷載大小對頂板冒落范圍的影響。對趙樓煤礦3302工作面深部厚項煤矩形巷道進(jìn)行了算例分析，研究了支護(hù)載荷對頂板冒落范圍的影響，并根據(jù)工程實踐，提出了相應(yīng)的工程技術(shù)措施。
　　 3.讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)研發(fā)。研究并提出了深部厚頂煤巷道“先控后讓再抗”的耦合讓壓強(qiáng)力支護(hù)理念，研

5、制了支護(hù)強(qiáng)度高、剛度大、預(yù)緊力損失小、具有定量讓壓性能、護(hù)表效果好且經(jīng)濟(jì)合理的讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)。并根據(jù)托梁的不同布置方式設(shè)計了讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)、工字鋼錨索梁支護(hù)系統(tǒng)及T型鋼帶錨索梁支護(hù)系統(tǒng)、U型鋼帶錨索梁支護(hù)系統(tǒng)4大類14種試驗方案進(jìn)行對比研究。
　　 4.支護(hù)系統(tǒng)對比評價指標(biāo)研究。通過研究提出了巷道表征變形量D、圍巖控制經(jīng)濟(jì)指標(biāo)I、支護(hù)系統(tǒng)組合構(gòu)件整體性能利用率η、支護(hù)系統(tǒng)組合構(gòu)件耦合效率W四個指標(biāo)，利用層次分析法

6、確定了巷道圍巖變形權(quán)重值和支護(hù)系統(tǒng)組合構(gòu)件耦合效率權(quán)重值。將上述指標(biāo)用于巷道支護(hù)效果及支護(hù)系統(tǒng)組合構(gòu)件耦合性能的對比評價，使評價工作得以量化。
　　 5.支護(hù)構(gòu)件耦合性能數(shù)值研究。設(shè)計了不同支護(hù)構(gòu)件及預(yù)緊力組合情況下的13種對比方案，通過數(shù)值試驗統(tǒng)計分析，對各方案耦合性能進(jìn)行對比研究。研究表明:耦合效果最好的3種計算方案分別為方案N3（Ⅱ12b+(φ)22錨索）、方案N2（Ⅱ12a+(φ)17.8錨索）和方案N5（Ⅱ12c+(φ

7、)22錨索）。同時分析了錨索型號與預(yù)緊力兩因素對支護(hù)系統(tǒng)耦合性能和支護(hù)效果的影響。
　　 6.支護(hù)效果數(shù)值試驗對比分析。14種支護(hù)方案數(shù)值試驗結(jié)果表明:讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)各方案比原支護(hù)方案效果顯著提高;讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)圍巖控制效果整體優(yōu)于工字鋼錨索梁支護(hù)系統(tǒng)且經(jīng)濟(jì)性高;讓壓型錨索箱梁4種支護(hù)方案中，巷道圍巖控制效果最好的為縱橫組合方案，其次為縱向單梁方案，再次為縱向雙梁方案，最后為橫梁方案。
　　 7.現(xiàn)場支護(hù)

8、構(gòu)件新型監(jiān)測手段與評價系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用。研發(fā)、制作并在現(xiàn)場試驗中應(yīng)用了測力箱梁、測力工字鋼和測力鋼帶，用于支護(hù)構(gòu)件的受力監(jiān)測。利用建立的評價系統(tǒng)對現(xiàn)場試驗得到的圍巖收斂、頂板離層、頂板彎曲沉降、圍巖深部位移、錨桿與錨索托錨力、鋼梁與鋼帶受力等監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行綜合對比分析，對不同方案優(yōu)劣進(jìn)行了量化綜合評定。
　　 8.多方案現(xiàn)場試驗對比研究。針對3302工作面順槽特點，結(jié)合理論分析與數(shù)值試驗結(jié)論提出了不同支護(hù)系統(tǒng)及其方案的選取原則，并按該

9、原則進(jìn)行了3大類11種方案的現(xiàn)場試驗研究。在每個支護(hù)方案試驗段設(shè)置多個監(jiān)測測站，通過監(jiān)測結(jié)果綜合對比分析得到了與理論分析及數(shù)值試驗基本一致的結(jié)論。讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)各方案圍巖控制效果整體優(yōu)于工字鋼錨索梁支護(hù)系統(tǒng)，明顯優(yōu)于原方案，其中縱橫組合方案效果最好，其次為縱向單梁方案。經(jīng)綜合分析給出了在地質(zhì)條件惡劣的厚頂煤巷道支護(hù)時，首選讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)縱橫組合方案;當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件稍好時，選用讓壓型錨索箱梁支護(hù)系統(tǒng)縱向單梁方案的工程建議。

10、r>　　 9.柔性加載系統(tǒng)研發(fā)。針對目前地質(zhì)力學(xué)模型試驗加載邊界條件存在的問題，基于對多類特種柔性橡膠材料進(jìn)行的研究，結(jié)合試驗要求，研制出新型柔性均布壓力加載裝置，并用于本文模型試驗研究，使加載系統(tǒng)更真實的滿足對原型條件的模擬要求。
　　 10.地質(zhì)力學(xué)模型試驗對比研究?；谮w樓煤礦深部厚頂煤巷道工程地質(zhì)條件，對兩種典型支護(hù)方案下的3302工作面順槽開挖支護(hù)過程進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究。試驗采用了光纖光柵和電阻應(yīng)變測試系統(tǒng)、

11、光柵多點位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字照相系統(tǒng)和新型支護(hù)構(gòu)件受力監(jiān)測系統(tǒng)等監(jiān)測手段;得到了不同支護(hù)方案的巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律、圍巖變形規(guī)律及支護(hù)構(gòu)件的受力特性。結(jié)果表明縱向單梁方案支護(hù)效果總體優(yōu)于橫梁支護(hù)方案。
　　 11.錨索梁支護(hù)系統(tǒng)作用機(jī)制研究。建立了錨索梁支護(hù)系統(tǒng)對頂板圍巖作用的三維力學(xué)模型，通過理論分析和推導(dǎo)得到錨索梁及其不同布置方式、錨桿、錨索單獨或聯(lián)合作用下的頂板圍巖圍壓計算公式。利用該公式，對錨索梁支護(hù)系統(tǒng)不同布置方式作