深部大断面回采巷道顶板锚固层稳定控制机理与技术研究

摘要

大断面回采巷道的顶板稳定性控制是西部矿区的普遍性问题，当前多数矿井更倾向于采用高密度锚杆索组合支护技术，但顶板控制难题并未得到根本解决。高密度支护制约了巷道掘进速度，致使采掘接替矛盾凸显，而组合支护中锚杆和锚索常难实现耦合承载，大变形期间易被各个击破，给巷道维护带来困难，甚至发生冒顶事故，迫切需求支护技术的更新和升级。
　　论文针对大断面回采巷道顶板锚固层稳定控制问题，综合运用理论计算、物理模拟和数值分析方法开展研究。提出了连续梁的定义，建立了顶板连续梁的力学模型并求解分析，认为构建顶板厚锚固层连续梁可以抵抗应力扰动，避免离层阻断应力传递，实现顶板应力双向连续传递，达到顶板稳定性控制，锚杆预紧力和锚固层厚度顶板连续梁的建立起到决定性的影响。通过相似材料模拟试验对比验证了顶板连续梁的支护效果，认为项板连续梁支护状态下，巷道围岩应力得到优化，浅表岩体破坏程度降低、范围减小，承载性能得到显著提升。通过数值模拟计算，得出了巷道围岩塑性区扩展的时空规律，分析了巷道围岩应力与变形的圈层分布特征，归纳了围岩圈层分布范围和巷道埋深的关系，明确了裂隙圈深度与锚固长度的关系。建立了跨界支护的思路和原则，认为锚杆支护应穿越巷道围岩的关键圈层，以深部小位移圈层约束浅部大位移圈层，促使大小位移联动;通过提高预紧力、增加锚固长度，构建顶板厚锚固层连续梁，达到控制变形破坏、消除离层失稳的效果。阐述了高预紧长锚固支护技术，分析了其锚固效能和群锚效应，发现单根柔性高预紧长锚固的支护效能是普通锚杆的2～6倍，而其群锚效能则是普通锚杆的3.5～5倍。葫芦素煤矿21204主回风巷顶板采用高预紧长锚固支护方案，项板锚固层厚度增加后，顶板内部裂隙和表面位移得到良好控制，相比原“锚杆+锚索”常规支护方案，锚杆数量降低了48.5％，支护强度提高了24.1％，优势明显。
　　目前以蒙陕地区为代表的西部矿区普遍采用大断面回采巷道，大断面回采巷道顶板锚固层稳定控制机理与技术研究，可促使顶板支护技术由高密度向低密度支护转变、由组合支护向单一支护转变，最终实现巷道顶板由大损伤向小损伤转变，对于提升巷道支护质量、保障大型现代化矿井生产安全高效具有现实意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 背景及意义

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．2．1 大跨度回采巷道层状顶板破坏机理研究现状

1．2．2 层状顶板回采巷道围岩控制技术研究现状

1．2．3 锚杆支护矿压监测技术研究现状

1．2．4 存在问题

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

2 大断面回采巷道层状顶板稳定机理

2．1 层状顶板结构及垮冒特征

2．1．1 围岩结构分类

2．1．2 顶板垮冒特征

2．2 顶板连续梁模型的建立

2．2．1 “连续梁”的含义

2．2．2 连续梁力学模型

2．2．3 连续梁模型的计算分析

2．3 顶板稳定性的影响要素分析

2．3．1 巷帮支护对顶板稳定性的影响

2．3．2 顶板支护对顶板稳定性的影响

2．4 层状顶板连续梁控制效果的物理模拟

2．4．1 相似试验模型

2．4．2 无支护巷道围岩应力演变与变形破坏特征

2．4．3 顶板连续梁结构巷道围岩应力分布与变形破坏特征

2．4．4 试验结果对比分析

2．5 本章小结

3 大断面回采巷道围岩应力破坏分期区划特征

3．1 三维数值计算模型

3．1．1 FLAC3D简介

3．1．2 模型尺寸与边界条件

3．1．3 本构模型及力学参数

3．2 巷道围岩应力时空演化规律

3．2．1 掘进扰动期

3．2．2 掘进稳定期

3．2．3 回采扰动期

3．3 巷道围岩位移变形时空演化规律

3．3．1 掘进扰动期

3．3．2 掘进稳定期

3．3．3 回采扰动期

3．4 巷道围岩能量场时空演化规律

3．5 巷道围岩圈层破坏时空演化规律

3．6 本章小结

4 回采巷道顶板安全控制技术

4．1 巷道围岩圈层分布特征

4．1．1 均布原岩应力圆形巷道围岩应力分布

4．1．2 圆形巷道围岩弹塑性区分布

4．2 跨界支护原则

4．2．1 裂隙圈深度与锚固长度的关系

4．2．2 跨界支护的原则

4．3 高预紧长锚固技术

4．3．1 高预紧长锚固的理念与支护效能

4．3．2 高预紧长锚固的技术特征与指标

4．3．3 高预紧长锚固的材料结构

4．4 技术特点的对比分析

4．4．1 技术特点的理论分析

4．4．2 锚固效果的模拟分析

4．5 本章小结

5 工业性试验及效果评价

5．1 工程地质概况

5．1．1 基本工程概况

5．1．2 巷道位置与顶底板岩性

5．2 支护方案设计

5．2．1 条件评估及可行性分析

5．2．2 支护方案设计及材料要求

5．2．3 技术要求

5．2．4 新情景下工艺工序设计

5．3 巷道围岩控制效果评价

5．3．1 掘进期间巷道围岩运移规律

5．3．2 回采期间超前段巷道控制效果

5．3．3 效益对比分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历

学位论文数据