本文關(guān)鍵詞：深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理及冒頂控制

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【摘要】：深部巷道圍巖控制問(wèn)題是近年來(lái)巷道支護(hù)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。由于開(kāi)采深度的增加,導(dǎo)致深部巷道圍巖的變形破壞機(jī)理和特征與淺部巷道圍巖顯著不同,巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化,導(dǎo)致現(xiàn)有的巷道支護(hù)理論與技術(shù)并不能很好的適應(yīng)深部巷道,造成深部巷道維護(hù)困難,支護(hù)成本急劇增加,同時(shí)引起深部開(kāi)采的巷道冒頂事故增加。巷道圍巖變形破壞的實(shí)質(zhì)是由于圍巖塑性區(qū)的形成和發(fā)展引起的。目前,巷道圍巖塑性區(qū)理論認(rèn)為圍巖塑性區(qū)的形態(tài)主要為圓形或橢圓形等較為規(guī)則的形態(tài),其主要適用于淺部等應(yīng)力場(chǎng)水平不大的巷道。而對(duì)于深部巷道來(lái)說(shuō),尤其是深部沿空巷道,由于巷道埋深的加大,圍巖不再處于均勻應(yīng)力場(chǎng),其圍巖的塑性區(qū)不再是傳統(tǒng)理論認(rèn)為的圓形或橢圓形等規(guī)則形狀,導(dǎo)致此類巷道出現(xiàn)了新的支護(hù)難題。因此,尋求適用于深部巷道圍巖的控制理論和控制技術(shù)是亟待解決的問(wèn)題。河南能化焦作煤業(yè)趙固二礦為年產(chǎn)量2.4Mt的高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井,主采煤層為2-1煤,煤層平均埋深700m,煤層厚度為6.0m~6.59m,平均6.32m,巷道掘進(jìn)過(guò)程中巷道斷面尺寸寬度4.8m,高度3.3m。為了保證巷道的穩(wěn)定性,趙固二礦一直以來(lái)都采用30m左右的大煤柱護(hù)巷,僅煤柱的煤炭損失就達(dá)52萬(wàn)t,直接經(jīng)濟(jì)損失6.2億元,大煤柱護(hù)巷雖然對(duì)巷道的穩(wěn)定起到了一定的作用,但是卻給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。為了提高資源回收率,該礦11030工作面運(yùn)輸巷采用8m窄煤柱沿空掘巷,導(dǎo)致巷道在掘進(jìn)期間頂板發(fā)生非均勻下沉、兩幫收斂嚴(yán)重、底鼓現(xiàn)象突出、支護(hù)體支護(hù)失效等現(xiàn)象,對(duì)該巷道的安全掘進(jìn)產(chǎn)生了重要影響。因此,本論文以趙固二礦深部窄煤柱巷道為工程背景,采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法,以深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布形態(tài)為主線,系統(tǒng)研究了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制,建立了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)理論;數(shù)值模擬研究了煤柱尺寸對(duì)巷道圍巖主應(yīng)力方向的影響,及主應(yīng)力方向?qū)Φ嗡苄詤^(qū)分布形態(tài)的影響,揭示了深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理。以此為基礎(chǔ),探究了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形態(tài)的“低阻不變”性,分析研究了深部窄煤柱巷道蝶葉型冒頂機(jī)理,提出了基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù),形成了如下創(chuàng)新性成果和主要結(jié)論:1.闡明了深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制。(1)當(dāng)深部巷道所處的非均勻應(yīng)力場(chǎng)的非均勻程度越高,即側(cè)壓系數(shù)越遠(yuǎn)離1,其圍巖的最大主偏應(yīng)力和最小主偏應(yīng)力的絕對(duì)值越大,兩者之間形成的偏應(yīng)力差越大;(2)以彈塑性力學(xué)中的圓孔應(yīng)力解和塑性力學(xué)的偏應(yīng)力理論為基礎(chǔ),利用莫爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則,推導(dǎo)了非均勻應(yīng)力場(chǎng)下圓形巷道圍巖塑性區(qū)邊界方程,獲得了表征非均應(yīng)力場(chǎng)條件下圍巖偏應(yīng)力與圓形巷道圍巖塑性區(qū)半徑關(guān)系的表達(dá)式:(3)深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的形成,是由于圍巖中存在高偏應(yīng)力差,高偏應(yīng)力差越大,深部巷道圍巖越容易形成蝶形塑性區(qū)。應(yīng)力環(huán)境和圍巖力學(xué)參數(shù)是深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的兩個(gè)必要條件,與巷道斷面形狀無(wú)關(guān)。圍巖內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與蝶形塑性區(qū)尺寸大小呈反比關(guān)系,而巷道尺寸與蝶形塑性區(qū)尺寸大小呈正比關(guān)系;(4)深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)巷道圍巖塑性區(qū)呈豎蝶形分布,巷道圍巖肩部位置的塑性區(qū)半徑最大,頂部位置塑性區(qū)半徑次之,而幫部位置塑性區(qū)半徑最小,深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致巷道圍巖塑性區(qū)呈橫蝶形分布,巷道圍巖肩部位置的塑性區(qū)半徑最大,幫部位置塑性區(qū)半徑次之,而頂板巖層塑性區(qū)半徑最小。2.揭示了深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理。(1)深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的蝶葉具有一定的方向性,當(dāng)最大最小主應(yīng)力處于水平垂直方向時(shí),蝶葉偏移角在45°附近(偏差在±5°以內(nèi));當(dāng)主應(yīng)力方向發(fā)生變化時(shí)蝶形塑性區(qū)蝶葉方向隨主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,而使蝶形塑性區(qū)的四個(gè)蝶葉位于巷道圍巖的不同位置;(2)煤柱尺寸會(huì)對(duì)巷道圍巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力方向產(chǎn)生重要影響。當(dāng)巷道煤柱尺寸較小時(shí),巷道圍巖主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。而煤柱尺寸較大時(shí),巷道圍巖主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生較小偏轉(zhuǎn)。因此,窄煤柱巷道會(huì)因煤柱尺寸較小而使巷道圍巖的主應(yīng)力方向發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn);(3)圍巖主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),巷道蝶形塑性區(qū)的分布形態(tài)會(huì)隨之發(fā)生變化,導(dǎo)致蝶形塑性區(qū)的蝶葉處于巷道圍巖的不同位置:(1)當(dāng)巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度小于40°時(shí),巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的四個(gè)蝶葉分別位于巷道左側(cè)頂板巖層、左幫上部圍巖、右?guī)拖虏繃鷰r及右側(cè)底板巖層內(nèi);(2)當(dāng)巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度介于50°~80°時(shí),巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的其中兩個(gè)蝶葉位于巷道頂板巖層、其余兩個(gè)蝶葉右?guī)拖虏繃鷰r及右側(cè)底板巖層內(nèi);(3)當(dāng)巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度介于100°~130°時(shí),巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的其中兩個(gè)蝶葉位于巷道頂板巖層、其余兩個(gè)蝶葉左幫下部圍巖及左側(cè)底板巖層內(nèi);(4)當(dāng)巷道圍巖主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度大于140°時(shí),巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的四個(gè)蝶葉分別位于巷道右側(cè)頂板巖層、左幫下部圍巖、右?guī)蜕喜繃鷰r及左側(cè)底板巖層內(nèi)。(4)圍巖塑性區(qū)尺寸與圍巖變形量呈正相關(guān)性,塑性區(qū)尺寸較大,圍巖的變形量較大,巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的分布形態(tài)和圍巖的總體變形形態(tài)基本一致;(5)揭示了趙固二礦11030工作面運(yùn)輸巷非均勻變形破壞機(jī)理,該巷道8m窄煤柱會(huì)使巷道所處位置圍巖的主應(yīng)力出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中,形成了高偏應(yīng)力環(huán)境,使圍巖形成了蝶形塑性區(qū);同時(shí),8m煤柱會(huì)使圍巖主應(yīng)力方向發(fā)生約160°的偏轉(zhuǎn),因此導(dǎo)致巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的四個(gè)蝶葉分別位于巷道煤柱側(cè)頂板巖層、煤柱幫煤體、煤壁側(cè)底板巖層及煤壁幫煤體內(nèi),使得蝶葉塑性區(qū)所處位置的圍巖變形量相比于其它位置的圍巖變形量較大,最終導(dǎo)致11030工作面運(yùn)輸巷圍巖呈現(xiàn)明顯的非均勻變性破壞特征。3.提出了基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù)。(1)由于現(xiàn)有工程技術(shù)所能夠提供的支護(hù)阻力與深部巷道圍巖所受應(yīng)力場(chǎng)不在同一數(shù)量級(jí)上,屬于較低的支護(hù)阻力,導(dǎo)致深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)主要受原巖應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的疊加應(yīng)力場(chǎng)控制,現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)所能提供的支護(hù)阻力對(duì)圍巖蝶形塑性區(qū)的影響作用甚微。因此可以認(rèn)為在現(xiàn)有支護(hù)工程技術(shù)水平下,深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)具有“低阻不變”性;(2)對(duì)于深部窄煤柱巷道而言,由于巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的蝶葉會(huì)位于巷道圍巖的不同位置,而使巷道圍巖不僅出現(xiàn)非均勻變性破壞特征,同時(shí)會(huì)使巷道圍巖出現(xiàn)大變形,最終導(dǎo)致巷道頂板下沉嚴(yán)重,錨索無(wú)法適應(yīng)圍巖大變形而發(fā)生冒頂;(3)由于蝶形塑性區(qū)具有“低阻不變”性,因此在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將支護(hù)重點(diǎn)從“控制圍巖變形”轉(zhuǎn)到“防止頂板冒頂”上來(lái),使支護(hù)體適應(yīng)塑性區(qū)巖體的大變形,提高蝶葉塑性區(qū)內(nèi)巖體自穩(wěn)能力,防止冒頂事故的發(fā)生;(4)形成了以圍巖蝶形塑性區(qū)分布形態(tài)為基礎(chǔ)的柔性冒頂控制技術(shù):利用具有大延伸率的柔性支護(hù)材料代替常規(guī)錨索控制頂板塑性區(qū)破壞深度大的巖層,充分發(fā)揮柔性支護(hù)材料的變形能力,在圍巖變形的過(guò)程中不破斷失效,提高頂板發(fā)生塑性破壞巖層的穩(wěn)定性,防止頂板發(fā)生冒頂事故;(5)在11030工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行了基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,柔性錨桿可以很好的適應(yīng)頂板的持續(xù)下沉,防止頂板冒頂。雖然頂板采用柔性錨桿-錨桿支護(hù)協(xié)調(diào)變形支護(hù)頂板下沉量依然較大,但基于回采期間窄煤柱回采巷道變形量將繼續(xù)增大,使用延伸率大的柔性錨桿能夠保證巷道安全,減小巷道冒頂風(fēng)險(xiǎn)。
【關(guān)鍵詞】：偏應(yīng)力場(chǎng) 蝶形塑性區(qū) 窄煤柱巷道 非均勻變性破壞
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 引言15-33
• 1.1 問(wèn)題的提出15-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-29
• 1.2.1 深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 巷道圍巖塑性區(qū)理論研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2.3 深部沿空巷道圍巖穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀22-24
• 1.2.4 巷道冒頂機(jī)理研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.5 巷道圍巖控制理論及技術(shù)研究現(xiàn)狀25-28
• 1.2.6 研究現(xiàn)狀綜述28-29
• 1.3 論文研究?jī)?nèi)容與研究方法29-33
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容29-30
• 1.3.2 研究方法與技術(shù)路線30-33
• 2 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)理論研究33-59
• 2.1 深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征33-36
• 2.1.1 深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征33-34
• 2.1.2 深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)特征34-36
• 2.2 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成的力學(xué)機(jī)制36-45
• 2.2.1 非均勻應(yīng)力場(chǎng)圓形巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析37-41
• 2.2.2 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)形成機(jī)制41-45
• 2.3 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征45-57
• 2.3.1 深部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征45-49
• 2.3.2 深部采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征49-53
• 2.3.3 深部巷道蝶形塑性區(qū)影響因素分析53-57
• 2.4 本章結(jié)論57-59
• 3 深部窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理研究59-83
• 3.1 蝶形塑性區(qū)蝶葉的方向性59-61
• 3.2 煤柱尺寸對(duì)巷道圍巖蝶形塑性區(qū)分布特征的影響61-70
• 3.2.1 煤柱尺寸對(duì)巷道圍巖主應(yīng)力方向的影響62-63
• 3.2.2 圍巖主應(yīng)力方向?qū)Φ嗡苄詤^(qū)分布的影響63-70
• 3.3 深部巷道圍巖變形與蝶形塑性區(qū)形態(tài)的關(guān)系70-72
• 3.4 趙固二礦窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理研究72-82
• 3.4.1 趙固二礦窄煤柱巷道非均勻變形破壞特征73-77
• 3.4.2 趙固二礦窄煤柱巷道非均勻變形破壞機(jī)理77-82
• 3.5 本章結(jié)論82-83
• 4 深部窄煤柱巷道冒頂控制83-101
• 4.1 深部巷道圍巖蝶形塑性區(qū)的“低阻不變”性83-89
• 4.1.1 支護(hù)阻力對(duì)深部圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響83-86
• 4.1.2 支護(hù)阻力對(duì)蝶形塑性區(qū)形態(tài)的影響86-89
• 4.2 深部窄煤柱巷道冒頂控制方法89-93
• 4.2.1 深部窄煤柱巷道頂板蝶葉型冒頂機(jī)理89-91
• 4.2.2 深部窄煤柱巷道冒頂控制對(duì)策91-93
• 4.3 柔性冒頂控制技術(shù)93-99
• 4.3.1 柔性錨桿結(jié)構(gòu)93-94
• 4.3.2 柔性錨桿支護(hù)性能研究94-97
• 4.3.3 基于蝶形塑性區(qū)形態(tài)的柔性冒頂控制技術(shù)97-99
• 4.4 本章結(jié)論99-101
• 5 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)101-117
• 5.1 工程概況101-104
• 5.1.1 試驗(yàn)巷道概況101
• 5.1.2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)101-104
• 5.2 礦壓觀測(cè)及支護(hù)效果分析104-113
• 5.2.1 巷道礦壓監(jiān)測(cè)104-113
• 5.2.2 支護(hù)效果分析113
• 5.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)113-115
• 5.4 本章結(jié)論115-117
• 6 結(jié)論與展望117-121
• 6.1 主要結(jié)論117-119
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)119
• 6.3 展望119-121
• 參考文獻(xiàn)121-133
• 致謝133-135
• 作者簡(jiǎn)介135
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文135
• 在學(xué)期間申請(qǐng)的專利135
• 在學(xué)期間獲得獎(jiǎng)勵(lì)情況135-136
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目136

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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本文編號(hào)：1028574