大倾角特厚复合顶板巷道变形破坏特征与稳定性控制研究

摘要

随着煤矿开采强度的不断增大，使得赋存条件较好的煤层储量越来越少，从而使大倾角煤层以及特厚复合顶板等复杂地质条件的煤层开采难题日趋被人们关注。我国大倾角煤层煤炭储量约占全国煤炭储量的15％～20％左右，储量较大，且煤质较好，具有很高的开采价值。因此针对大倾角煤层开采中巷道稳定性控制研究意义重大。本文结合永宁煤矿4＃煤层4105工作面回风巷道，通过理论研究、相似模拟、数值模拟、工程监测等手段进行了以下研究:
　　(1)通过理论研究得出大倾角特厚复合顶板巷道变形破坏的原因:大倾角煤层由于其围岩结构与岩性的非对称性，导致巷道的非对称变形破坏，尤其是大倾角特厚复合顶板巷道，巷道项板各岩层厚度较小，强度较低，层理、节理和裂隙发育，各岩层间黏结力较弱甚至无黏结力，且巷道顶板软弱岩层厚度通常大于8m，超过锚索锚固范围，这就使得巷道顶板易离层冒落，形成非对称变形破坏。
　　(2)通过相似模拟试验对大倾角特厚复合顶板巷道不同断面形状、不同支护方式进行研究，得出巷道变形破坏的基本特征:对称支护方式下直角梯形断面巷道易出现应力集中，呈现出明显的非对称变形破坏，巷道左帮、左顶角以及顶板左、中部应力集中现象明显，是破坏较严重的区域;在采用直墙圆弧拱形断面巷道并进行非对称支护后，巷道围岩应力分布趋于均匀化，应力集中现象明显减少，与对称支护方式下直角梯形断面巷道相比，优化方案在控制两帮移近量、顶板下沉等方面都有了较明显改善，其中巷道两帮移近量减小了40.9％，顶板下沉量减小了68％，断面收缩率减小了43.3％，巷道的稳定性有了较明显提升。
　　(3)采用数值模拟软件对不同断面形状、不同支护方式进行模拟，通过对对称支护方式下不同断面形状巷道和不同支护方式下直墙圆弧拱形巷道屈服破坏范围、垂直应力分布、水平应力分布、垂直位移分布、水平位移分布等进行模拟分析。得出在相同支护方式下，直墙圆弧拱形断面比直角梯形断面巷道屈服破坏范围更小，应力及位移分布更加均衡，非对称性明显减弱;直墙圆弧拱形巷道在采取非对称支护方式后，巷道的应力分布和位移分布进一步趋于均匀，巷道的整体稳定性得到进一步加强。
　　(4)本文成果应用于永宁煤矿4＃煤层4105工作面回风巷道，经对巷道收敛、锚杆和锚索受力情况等监测分析，验证了巷道支护结构的稳定性，满足了巷道安全生产的要求，为大倾角特厚复合顶板巷道的安全生产起到了借鉴作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 大倾角特厚复合顶板巷道支护研究现状

1．2．1 国内外巷道支护技术发展过程

1．2．2 巷道支护理论的发展

1．2．3 大倾角特厚复合顶板巷道稳定控制研究现状

1．3 大倾角特厚复合顶板存在的主要问题

1．4 论文研究的主要内容

1．5 论文研究方法与技术路线

第二章 大倾角特厚复合顶板巷道非对称破坏特征研究

2．1 大倾角特厚复合顶板巷道围岩失稳影响因素分析

2．2 巷道围岩变形破坏特征

2．2．1 大倾角煤层巷道变形破坏特征

2．2．2 特厚复合顶板巷道变形破坏特征

2．3 巷道围岩非对称破坏机制分析

2．4 大倾角特厚复合项板巷道非对称支护机理

2．5 本章小结

第三章 大倾角特厚复合顶板巷道相似模拟

3．1 相似模拟试验试验方案

3．1．1 相似模拟理论

3．1．2 试验原型条件

3．1．3 试验方案设计

3．1．4 试验模型材料及配比

3．1．5 试验设备

3．2 模型制作与测试方案

3．2．1 模型制作

3．2．2 测试方案

3．3 测点布置

3．2．1 试验应力测点布置

3．2．2 试验位移测点布置

3．4 巷道围岩应力变化规律分析

3．4．1 巷道底板围岩应力变化规律分析

3．4．2 巷道帮部围岩应力变化规律分析

3．4．3 巷道肩部围岩应力分析

3．4．4 巷道顶板围岩应力分析

3．4．5 围岩应力变化特征

3．5 巷道围岩变形规律分析

3．5．1 巷道底板围岩位移变化规律分析

3．5．2 巷道两帮围岩位移变化规律分析

3．5．3 巷道肩部围岩位移变化规律分析

3．5．4 巷道顶板围岩位移变化规律分析

3．5．5 巷道断面收缩对比分析

3．6 本章小结

第四章 大倾角特厚复合顶板巷道数值模拟研究

4．1 巷道模型的建立

4．1．1 工程背景

4．1．2 计算方法

4．1．3 计算模型

4．1．4 计算方案

4．2 对称支护方式下巷道稳定性分析

4．2．1 采动影响前巷道稳定性分析

4．2．2 采动对围岩稳定性的影响

4．3 非对称支护方式下巷道稳定性分析

4．4 本章小结

第五章 巷道支护效果监测与分析

5．1 巷道优化方案

5．1 工程监测方案

5．1．1 观测仪器布置

5．1．2 观测仪器布置

5．2 主要观测结果分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文的主要结论

6．2 论文的不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目