厚煤层软岩巷道支护优化设计与围岩变形控制研究

摘要

为解决同煤集团铁锋煤业公司南阳坡煤矿的巷道支护与围岩变形控制的问题，通过现场勘察与资料收集的方法，针对8＃煤层巷道原有支护的状况，提出了巷道支护优化设计与围岩变形控制的方案。通过比较巷道断面的形式与围岩变形控制的最佳效果，最终确定对南阳坡煤矿8＃煤层的巷道采用圆弧形巷道的断面形式以及所对应的支护方式。通过建立合理的模型，利用MADIS-GTS软件分别模拟不同断面形式与支护条件下巷道内部的塑性区以及围岩变形状况。结果表明圆弧形巷道的断面不仅能减少支护材料的使用而且能更好的保证巷道生产安全与对围岩变形起到较好的控制。
　　南阳坡煤矿8＃煤层平均煤厚为6.64m，属厚煤层，针对厚煤层软岩煤巷采用现场取样的方法将煤、岩运送至实验室测定试样的其基本物理力学参数，然后再对巷道支护进行优化设计。对巷道支护采用优化设计并在现场得到施工使用之后，对8＃煤层408盘区回风巷进行锚杆受力监测与巷道围岩变形监测，监测结果表明在巷道支护采用优化设计之后围岩变形与顶板与两帮煤块易松软垮落的情况得到很好的控制，巷道整体稳定性明显加强。通过监测数据与数值模拟分析对比得出以下结论:巷道塑性区主要集中在顶板，巷道开挖后顶板受到最大程度的扰动。圆弧形巷道塑性区占全区的比例为1.4％，矩形巷道塑性区占全区比例为3％，表明采用矩形巷道的断面形式不利于塑性区范围的控制，主要是由于矩形巷道顶板承受较大弯矩，巷道顶板围岩变形较大;矩形巷道的单元应变在Sxx、Syy和Szz方向上均大于圆弧形巷道，且受矩形巷道扰动的围岩应变区域明显大于受圆弧形巷道扰动的围岩应变区域，进一步说明矩形巷道的断面形式不利于围岩变形的控制;矩形巷道采用锚索+锚杆+菱形金属网+纵向W型钢带的支护方式相比于圆弧形巷道的锚杆+菱形金属网+钢筋梯的支护方式对于巷道稳定性的控制以及围岩变形的控制并无实质性的优势，反而对于围岩变形控制的效果不如圆弧形巷道的断面形式。因此，合理的选用巷道的断面形状使巷道围岩的受力尽可能的均匀能减小围岩破坏。同时，在煤层穿越断层破碎带时针对煤巷易变形的特点采用超前支护的控制方法对围岩变形进行控制。
　　本论文研究成果不仅对南阳坡煤矿巷道支护研究具有实用价值，而且对全国煤矿巷道支护设计也具有有一定参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标、内容与研究方法

1．3．1 主要研究目标、内容

1．3．2 技术路线

1．4 本章小节

2 矿井基本概况

2．1 矿区位置与交通

2．2 地形地貌

2．2．1 奥陶系(O)

2．2．2 石炭系(C)

2．2．3 二叠系(P)

2．2．4 第四系(Q)

2．3 区域构造及岩层特性

2．4 井田水文地质条件

2．5 本章小节

3 试验

3．1 现场取样

3．2 单轴抗压试验

3．2．1 试验目的

3．2．2 试样制备

3．2．3 主要仪器设备

3．2．4 试验程序

3．2．5 计算岩石的抗压翟度

3．2．6 成果整理和计算

3．3 煤样抗剪试验

3．3．1 实验目的

3．3．2 实验方法

3．3．3 实验步骤

3．3．4 计算

3．3．5 试验数据处理

3．4 本章小结

4 巷道支护优化设计

4．1 8#煤层煤岩层概况

4．2 8#煤层原支护设计

4．3 8#煤层巷道支护优化设计

4．3．1 巷道断面形式的选择

4．3．2 围岩松动圈的基本概念

4．3．3 圆弧形巷道支护优化设计

4．4 支护设计前后费用对比

4．5 本章小结

5 监测

5．1 锚杆受力监测

5．1．1 监测目的

5．1．2 监测设备

5．1．3 监测方案

5．1．4 锚杆受力监测记录表

5．2 变形监测

5．2．1 监测目的

5．2．2 监测仪器设备

5．2．3 监测方法

5．2．4 监测数据分析

5．3 本章小结

6 数值模拟计算

6．1 模型的建立

6．2 模型参数及边界条件

6．3 数值模拟计算及结果分析

6．3．1 塑性区对比图

6．3．2 单元应变对比图

6．3．3 单元应力对比图

6．3．4 单项位移对比图

6．3．5 两项位移对比图

6．4 本章小节

7 围岩变形控制的研究

7．1 围岩破坏机理研究方法

7．1．1 弹塑性理论研究

7．1．2 数值模拟计算研究

7．1．3 相似模拟研究

7．1．4 原位测试研究

7．2 围岩变形计算研究

7．2．1 顶板下沉计算机理

7．2．2 巷帮破坏机理

7．2．3 巷道底鼓机理

7．3 数值模拟计算

7．4 本章小节

8 结论、创新点与预期成果展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 预期成果展望

参考文献

作者简历

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