复合顶板煤巷围岩多次动压扰动失稳规律及控制

摘要

煤层形成年代决定了煤巷复合顶板存在的普遍性，复合顶板结构的不稳定大大提升了支护难度，尤其是动压扰动下的复合顶板煤巷支护更是困扰煤矿安全高效生产的难题。本文以多次动压扰动下复合顶板煤巷为研究对象，采用理论分析、实验室实验及数值模拟相结合的方法对锚固结构及围岩失稳规律进行系统深入的研究，取得以下主要成果： （1）实验确定了典型复合顶板煤巷22301工作面瓦斯治理巷围岩力学基本性质；试验了铁晶砂胶结新型相似模拟材料，并应用于采矿领域复合顶板煤巷物理模型制作；分析确定了复合顶板、动压扰动以及支护结构体系不合理为该巷道围岩稳定性主要影响因素。 （2）基于复合顶板力学模型受力分析了其破坏机理，采用FLAC3D数值模拟软件得出了软弱岩层位置、软弱岩层厚度以及不同侧压系数等影响因素下巷道围岩变形特征：复合顶板煤巷易出现大变形及离层现象；巷道顶板挠度及塑性区范围与软弱岩层距巷道距离成负相关，与软弱岩层厚度成正相关；随着侧压系数增大围岩塑性区呈先减小后增大趋势。 （3）通过数值模拟仿真分析得出了22301工作面瓦斯治理巷三次采动影响阶段锚固结构及围岩稳定性变化规律：随着动压影响加剧，巷道受高地应力、侧向支承压力及超前支承压力叠加影响，围岩变形量、塑性区范围以及锚固结构受力不断增大，原有支护结构无法维持巷道围岩稳定。 （4）优化确定了22301工作面瓦斯治理巷采取“高强锚杆+钢带+强力锚索+金属网”联合支护方案；模拟分析对比了新旧支护方案控制下围岩稳定性，并应用于现场工业性试验，矿压监测结果表明优化后巷道围岩变形量得到了有效的控制。 （5）采用了YGS127(A)煤矿巷道围岩光纤光栅动态监测系统，对锚杆受力进行监测，结果表明优化后整体支护结构受力较为均匀，支护承载体性能得到了更好的发挥，保证了围岩-支护承载结构的稳定性，证明该支护结构能有效控制22301工作面瓦斯治理巷围岩变形，为同类巷道围岩控制提供相关参考。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义（The Background and Significance of the Study）

1.2.1 国内外巷道支护理论技术的发展现状

1.2.2 复合顶板特征及支护研究现状

1.2.3 动压巷道支护技术的发展

1.3主要研究内容与技术路线（The Main Research Contents and Technical Route）

1.3.1 主要研究内容

1.3.3 技术路线

2 典型复合顶板煤巷围岩性质测定及稳定性分析

2.1工程概况（Project Overview）

2.2 22301工作面瓦斯治理巷围岩力学性能测试（Mechanical Properties Test of Surrounding Rock of Gas Control Roadway in 22301 Working Face）

2.3基于新型相似模拟材料铺设复合顶板煤巷模型（Model of Compound Roof Coal Roadway Laying Based on New Similar Simulated Materials）

2.3.1 试样制作平台

2.3.2 铁晶砂胶结相似模拟材料

2.3.2 模型制作

2.4 22301工作面瓦斯治理巷围岩稳定性分析（Stability Analysis of Surrounding Rock of Gas Control Roadway in 22301Working Face）

2.4.1 22301工作面瓦斯治理巷原支护情况

2.4.2 22301工作面瓦斯治理巷变形破坏特征分析

2.4.3 各采动阶段巷道围岩稳定性分析

2.5本章小结（Chapter Summary）

3 煤巷复合顶板受力特征及失稳破坏影响因素分析

3.1煤巷复合顶板动压作用下受力分析（Stress Characteristics of Dynamic Roof Coal Roadway with Compound Roof）

3.1.1 动压作用下覆岩结构及破坏形态

3.1.2 动压作用下层状复合顶板结构效应

3.2煤巷复合顶板失稳影响因素分析（Analysis of Influencing Factors of Compound Roof Instability in Coal Roadway）

3.2.1 软弱岩层分布位置

3.2.2 软弱岩层厚度

3.2.3 不同侧压系数

3.3本章小结（Chapter Summary）

4 动压扰动复合顶板煤巷围岩及锚固结构稳定性分析 4 Stability Analysis of Surrounding Rock and Anchoring Structure Coal Roadway with Compound Roof under Dynamic Pressure Disturbance

4.1数值分析模型的建立（Establishment of Numerical Analysis Model）

4.2掘进期间巷道围岩稳定性分析（Stability Analysis of Roadway Surrounding Rock during Driving）

4.2.1 掘巷扰动影响下巷道围岩应力及塑性区分布特征

4.2.2 掘巷扰动影响下巷道围岩位移及煤柱应力特征

4.2.3 掘巷扰动影响下巷道锚固结构受力特征

4.3 22301工作面回采影响下巷道围岩稳定性分析（Stability Analysis of Surrounding Rock of Roadway under the Effect of Mining in 22301 Working Face）

4.3.1 一次采动影响下巷道围岩应力及塑性区分布特征

4.3.2 一次采动影响下巷道围岩位移及煤柱应力特征

4.3.3 一次采动影响下巷道锚固结构受力特征

4.4 下区段工作面回采影响下巷道围岩稳定性分析（ Stability Analysis of Surrounding Rock of Roadway Affected by Mining in Next Section Face）

4.4.1 二次采动影响下巷道围岩应力及塑性区分布特征

4.4.2 二次采动影响下巷道围岩位移及煤柱应力特征

4.4.3 二次采动影响下巷道锚固结构受力特征

4.5本章小结（Chapter Summary）

5 工业性试验

5.1.1 支护理念

5.1.2 支护方案及材料规格

5.2支护效果对比（Contrast of Supporting Effect）

5.2.1 掘进期间新旧支护下巷道围岩变形特征

5.2.2 回采期间新旧支护下巷道围岩变形特征

5.3.1巷道围岩表面位移

5.3.2钻孔窥视离层监测

5.3.2 光纤光栅测力锚杆实时监测

5.4本章小结（Chapter Summary）

6 主要结论

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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