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(duì)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(shì)，而厚煤層開采又是煤炭深井開采的一個(gè)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(duì)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(xiàng)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(shí)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(duì)策，對(duì)我國深部厚煤層開采具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)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(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、材料研發(fā)、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段相結(jié)合的方法，對(duì)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(diǎn)如下:
　　 1.深部厚頂煤巷道變形破壞規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。對(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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。基于塑性力學(xué)的極限分析理論

4、，采用廣義Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)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(duì)頂板冒落范圍的影響。對(duì)趙樓煤礦3302工作面深部厚項(xiàng)煤矩形巷道進(jìn)行了算例分析，研究了支護(hù)載荷對(duì)頂板冒落范圍的影響，并根據(jù)工程實(shí)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(jì)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(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比研究。
　　 4.支護(hù)系統(tǒng)對(duì)比評(píng)價(jià)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(gè)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(duì)比評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)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(jì)了不同支護(hù)構(gòu)件及預(yù)緊力組合情況下的13種對(duì)比方案，通過數(shù)值試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)各方案耦合性能進(jìn)行對(duì)比研究。研究表明:耦合效果最好的3種計(jì)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(shí)分析了錨索型號(hào)與預(yù)緊力兩因素對(duì)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(yàn)對(duì)比分析。14種支護(hù)方案數(shù)值試驗(yàn)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(chǎng)支護(hù)

8、構(gòu)件新型監(jiān)測(cè)手段與評(píng)價(jià)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。研發(fā)、制作并在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中應(yīng)用了測(cè)力箱梁、測(cè)力工字鋼和測(cè)力鋼帶，用于支護(hù)構(gòu)件的受力監(jiān)測(cè)。利用建立的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析，對(duì)不同方案優(yōu)劣進(jìn)行了量化綜合評(píng)定。
　　 8.多方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比研究。針對(duì)3302工作面順槽特點(diǎn)，結(jié)合理論分析與數(shù)值試驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)研究。在每個(gè)支護(hù)方案試驗(yàn)段設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)測(cè)站，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合對(duì)比分析得到了與理論分析及數(shù)值試驗(yàn)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(shí)，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(shí)，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(duì)目前地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)加載邊界條件存在的問題，基于對(duì)多類特種柔性橡膠材料進(jìn)行的研究，結(jié)合試驗(yàn)要求，研制出新型柔性均布?jí)毫虞d裝置，并用于本文模型試驗(yàn)研究，使加載系統(tǒng)更真實(shí)的滿足對(duì)原型條件的模擬要求。
　　 10.地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)對(duì)比研究?；谮w樓煤礦深部厚頂煤巷道工程地質(zhì)條件，對(duì)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(yàn)研究。試驗(yàn)采用了光纖光柵和電阻應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、

11、光柵多點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)等監(jiān)測(cè)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(duì)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(dú)或聯(lián)合作用下的頂板圍巖圍壓計(jì)算公式。利用該公式，對(duì)錨索梁支護(hù)系統(tǒng)不同布置方式作