深部厚顶煤巷道围岩破坏控制机理及新型支护系统对比研究

摘要

煤炭开采进一步向超千米深井发展是我国煤炭行业发展的必然趋势，而厚煤层开采又是煤炭深井开采的一个重要内容。巨野矿区深部厚顶煤开采中暴露出的各种问题对我国此类巷道支护提出了更高的要求。
　　 深部厚顶煤巷道两帮及顶板均为软弱煤体，开挖以后易出现较大范围的破裂区，顶板煤体碎胀严重，极易与基本项产生明显离层，顶板下沉量大，且持续变形，给巷道围岩控制带来极大困难。目前，有关深部厚顶煤巷道围岩变形破坏及稳定性控制机理方面的研究还很少，且在现有的巷道支护体系中，适合此类巷道经济有效的支护手段还很欠缺。因此，从根本上认识深部厚顶煤巷道的围岩变形破坏机理，提出合理的支护对策，对我国深部厚煤层开采具有重要的理论与现实意义。
　　 本文以巨野矿区典型的深井煤矿-赵楼煤矿为工程背景，针对深部高地应力作用下厚顶煤巷道支护难题，通过现场实测、理论分析、材料研发、数值分析、模型试验及现场试验等手段相结合的方法，对深部厚顶煤巷道的变形破坏及围岩控制机理进行研究，并研发出适用于该类巷道支护的让压型锚索箱梁支护系统。本文进行的主要工作及创新点如下:
　　 1.深部厚顶煤巷道变形破坏规律现场实测研究。对赵楼煤矿深部厚顶煤巷道水文地质、地应力、岩石物理力学性质等工程地质条件及原支护条件下矿压、围岩变形破坏与支护构件受力状态等进行现场监测研究。通过研究分析得到赵楼煤矿深部厚顶煤巷道顶板围岩碎胀变形严重、离层量大、变形持久不可控的主要原因及机制。
　　 2.厚顶煤巷道顶板冒落机理研究。基于塑性力学的极限分析理论，采用广义Hoek-Brown经验强度准则，考虑了巷道顶板围岩应力与支护荷载的作用，推导出了巷道顶板冒落的迹线方程，讨论了不同岩体力学参数、围岩应力水平与支护荷载大小对顶板冒落范围的影响。对赵楼煤矿3302工作面深部厚项煤矩形巷道进行了算例分析，研究了支护载荷对顶板冒落范围的影响，并根据工程实践，提出了相应的工程技术措施。
　　 3.让压型锚索箱梁支护系统研发。研究并提出了深部厚顶煤巷道“先控后让再抗”的耦合让压强力支护理念，研制了支护强度高、刚度大、预紧力损失小、具有定量让压性能、护表效果好且经济合理的让压型锚索箱梁支护系统。并根据托梁的不同布置方式设计了让压型锚索箱梁支护系统、工字钢锚索梁支护系统及T型钢带锚索梁支护系统、U型钢带锚索梁支护系统4大类14种试验方案进行对比研究。
　　 4.支护系统对比评价指标研究。通过研究提出了巷道表征变形量D、围岩控制经济指标I、支护系统组合构件整体性能利用率η、支护系统组合构件耦合效率W四个指标，利用层次分析法确定了巷道围岩变形权重值和支护系统组合构件耦合效率权重值。将上述指标用于巷道支护效果及支护系统组合构件耦合性能的对比评价，使评价工作得以量化。
　　 5.支护构件耦合性能数值研究。设计了不同支护构件及预紧力组合情况下的13种对比方案，通过数值试验统计分析，对各方案耦合性能进行对比研究。研究表明:耦合效果最好的3种计算方案分别为方案N3（Ⅱ12b+(φ)22锚索）、方案N2（Ⅱ12a+(φ)17.8锚索）和方案N5（Ⅱ12c+(φ)22锚索）。同时分析了锚索型号与预紧力两因素对支护系统耦合性能和支护效果的影响。
　　 6.支护效果数值试验对比分析。14种支护方案数值试验结果表明:让压型锚索箱梁支护系统各方案比原支护方案效果显著提高;让压型锚索箱梁支护系统围岩控制效果整体优于工字钢锚索梁支护系统且经济性高;让压型锚索箱梁4种支护方案中，巷道围岩控制效果最好的为纵横组合方案，其次为纵向单梁方案，再次为纵向双梁方案，最后为横梁方案。
　　 7.现场支护构件新型监测手段与评价系统现场应用。研发、制作并在现场试验中应用了测力箱梁、测力工字钢和测力钢带，用于支护构件的受力监测。利用建立的评价系统对现场试验得到的围岩收敛、顶板离层、顶板弯曲沉降、围岩深部位移、锚杆与锚索托锚力、钢梁与钢带受力等监测结果进行综合对比分析，对不同方案优劣进行了量化综合评定。
　　 8.多方案现场试验对比研究。针对3302工作面顺槽特点，结合理论分析与数值试验结论提出了不同支护系统及其方案的选取原则，并按该原则进行了3大类11种方案的现场试验研究。在每个支护方案试验段设置多个监测测站，通过监测结果综合对比分析得到了与理论分析及数值试验基本一致的结论。让压型锚索箱梁支护系统各方案围岩控制效果整体优于工字钢锚索梁支护系统，明显优于原方案，其中纵横组合方案效果最好，其次为纵向单梁方案。经综合分析给出了在地质条件恶劣的厚顶煤巷道支护时，首选让压型锚索箱梁支护系统纵横组合方案;当地质条件稍好时，选用让压型锚索箱梁支护系统纵向单梁方案的工程建议。
　　 9.柔性加载系统研发。针对目前地质力学模型试验加载边界条件存在的问题，基于对多类特种柔性橡胶材料进行的研究，结合试验要求，研制出新型柔性均布压力加载装置，并用于本文模型试验研究，使加载系统更真实的满足对原型条件的模拟要求。
　　 10.地质力学模型试验对比研究。基于赵楼煤矿深部厚顶煤巷道工程地质条件，对两种典型支护方案下的3302工作面顺槽开挖支护过程进行了地质力学模型试验研究。试验采用了光纤光栅和电阻应变测试系统、光栅多点位移数据采集系统、数字照相系统和新型支护构件受力监测系统等监测手段;得到了不同支护方案的巷道围岩应力演化规律、围岩变形规律及支护构件的受力特性。结果表明纵向单梁方案支护效果总体优于横梁支护方案。
　　 11.锚索梁支护系统作用机制研究。建立了锚索梁支护系统对顶板围岩作用的三维力学模型，通过理论分析和推导得到锚索梁及其不同布置方式、锚杆、锚索单独或联合作用下的顶板围岩围压计算公式。利用该公式，对锚索梁支护系统不同布置方式作用下的顶板围岩应力状态进行算例分析，结果显示:纵横组合方案在顶板围岩中形成的围压状态最佳，其次为纵向单梁方案，纵向双梁方案及横梁方案分列其后。将理论计算、数值试验与现场试验结果进行综合对比分析，得到了锚索梁支护系统的作用机制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 深部煤巷变形破坏机理研究进展

1．2．2 深部煤巷围岩控制机理研究进展

1．2．3 深部煤巷支护技术及方法研究进展

1．2．4 深部巷道支护体系耦合性能研究进展

1．2．5 让压理论及技术研究进展

1．2．6 深部煤巷模型试验研究进展

1．3 主要研究内容与方法

1．3．1 深部厚顶煤巷道变形破坏规律现场实测研究

1．3．2 深部厚顶煤巷道顶板冒落机理研究

1．3．3 适用于深部厚顶煤巷道的让压型锚索箱梁支护系统研发

1．3．4 支护系统组合构件耦合性能研究

1．3．5 深部厚顶煤巷道支护系统围岩控制效果对比研究

1．3．6 深部厚顶煤巷道锚索梁支护系统作用机制研究

1．3．7 深部厚顶煤巷道新型模型试验系统及相似材料研发

1．4 研究技术路线

1．5 研究创新点

第二章 工程概况

2．1 矿井工程概况

2．1．1 巨野矿区概况

2．1．2 赵楼煤矿概况

2．2 赵楼煤矿3302工作面及顺槽概况

2．2．1 地质条件

2．2．2 原支护方案

2．2．3 原支护方案圈岩控制效果

2．3 地应力测试

2．3．1 地应力测试方法及原理

2．3．2 地应力测试分析

2．4 围岩物理力学性能测试

2．4．1 现场钻孔取芯及试件加工

2．4．2 物理力学性能试验

2．4．3 物理力学试验结果

2．5 3302工作面顺槽前期现场监测

2．5．1 巷道围岩松动破坏范围探测

2．5．2 巷道围岩变形与支护构件受力监测

2．5．3 小结

2．6 本章小结

第三章 深部厚顶煤巷道顶板冒落破坏机理研究

3．1 深部厚顶煤巷道顶板冒落破坏的极限分析

3．1．1 Hoek-Brown强度准则

3．1．2 极限分析法

3．1．3 厚顶巷道顶板冒落破坏的极限分析

3．2 算例分析

3．3 本章小结

第四章 让压型锚索箱梁支护系统研发及对比方案设计

4．1 支护系统研发背景

4．2 支护系统设计理念

4．2．1 耦合支护理念

4．2．2 让压支护理念

4．2．3 强力支护理念

4．2．4 “先控后让再抗”的耦合让压强力支护理念

4．3 支护系统设计

4．3．1 支护系统组成

4．3．2 箱型支护粱设计

4．4 锚索粱与围岩共同作用效果对比分析

4．4．1 模型建立厦边界条件

4．4．2 围岩变形及托梁受力结果分析

4．4．3 巷道顶板受压区结果分析

4．4．4 局部变形结果分析

4．5 锚索让压环性能分析

4．6 支护系统工作原理

4．7 支护系统对比试验方案设计

4．7．1 试验方案设计

4．7．2 各组合构件性能参数

4．7．3 支护方案造价统计

4．8 本章小结

第五章 支护系统数值试验对比研究

5．1 支护系统对比评价指标建立及确定

5．1．1 对比评价指标建立

5．1．2 深部厚顶煤巷道支护系统对比评价指标权重值确定

5．2 支护系统组合构件耦合性能分析

5．2．1 对比方案设计及模型建立

5．2．2 结果分析

5．2．3 锚索(杆)预紧力因素影响分析

5．3 支护系统围岩控制效果及经济性能对比试验

5．3．1 试验方案设计

5．3．2 模型建立及计算

5．3．3 让压型锚索箱粱支护系统试验结果分析

5．3．4 钢带锚索粱支护系统试验结果分析

5．4 本章小结

第六章 支护系统现场试验对比研究

6．1 巷道监测方案设计及实施

6．1．1 监测方案设计

6．1．2 监测设备制作与使用

6．1．3 支护系统及监测方案现场实施

6．2 让压型锚索箱梁支护系统现场试验对比分析

6．2．1 与原支护系统对比分析

6．2．2 钢梁锚索梁支护系统对比分析

6．2．3 让压型锚索箱梁支护系统不同布置方式下的各方案对比分析

6．3 钢带锚索梁支护系统现场试验对比分析

6．3．1 巷道围岩控制效果对比分析

6．3．2 支护构件受力监测对比分析

6．4 本章小结

第七章 地质力学模型试验研究

7．1 模型试验方案设计及模拟材料选定

7．1．1 地质力学模型试验相似理论

7．1．2 试验研究规划

7．1．3 模型体相似材料

7．1．4 模型巷道支护构件相似材料及支护方法

7．2 模型试验系统

7．2．1 试验装置性能

7．2．2 柔性加载系统研制

7．2．3 监测系统性能

7．2．4 模型试验过程

7．3 厚顶煤巷道施工过程模型试验结果分析

7．3．1 模型试验进展规划

7．3．2 巷道围岩应力分布特征

7．3．3 巷道围岩变形特征

7．3．4 支护构件受力特征

7．4 本章小结

第八章 锚索梁支护系统顶板作用机制对比研究

8．1 三维顶板围压计算公式

8．1．1 理论基础

8．1．2 力学模型建立

8．1．3 围压计算公式推导

8．2 各方案顶板围岩围压计算分析

8．2．1 不同锚索梁支护系统顶板作用简化模型

8．2．2 顶板围岩围压计算

8．2．3 计算参数赋值

8．2．4 计算结果对比分析

8．3 现场及模型试验对比验证

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 主要结论

9．2 展望

参考文献

致谢

参与的科研项目

发表的论文

申请的专利

所获的荣誉

学位论文评阅及答辩情况表