本文關(guān)鍵詞：烏東近直立煤層組沖擊地壓及恒阻大變形防沖支護(hù)研究

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【摘要】：沖擊地壓是指圍巖中大量彈性能沿臨空面瞬間釋放的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,具有有突然性、不確定性和與巨大破壞性,給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅。沖擊地壓的孕育和發(fā)生,是構(gòu)造和地層特征與采掘工程條件相疊加后,能量聚集和非穩(wěn)態(tài)釋放的結(jié)果,其影響因素主要為地質(zhì)條件和采掘技術(shù)條件,同時(shí)具有時(shí)空演化特征。近直立煤層組是一種極為特殊的煤層產(chǎn)狀,我國(guó)近直立煤層組主要集中于烏魯木齊東北部,其煤層傾角約為87°,典型礦井為烏東煤礦南區(qū)。該地層賦存B3+6和B1+2兩組煤層,采用水平分段開(kāi)采方式自上而下進(jìn)行開(kāi)采,開(kāi)采工藝為綜采放頂煤。在該地質(zhì)和采掘技術(shù)條件下,采深350m時(shí),+500水平B3+6工作面回采巷道發(fā)生多次沖擊地壓現(xiàn)象。因此為了研究其沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理并對(duì)其回采巷道進(jìn)行有效防沖支護(hù),本文在進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)地測(cè)試和資料分析的基礎(chǔ)上,采用理論分析、數(shù)值模擬等方法,對(duì)近直立煤層組沖擊地壓發(fā)生的特征和影響因素、煤層開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力和能量分布特征進(jìn)行深入分析,揭示了烏東煤礦南區(qū)近直立煤層組沖擊地壓類(lèi)型和其能量機(jī)理。論述了沖擊巷道圍巖防沖支護(hù)要求和普通錨桿錨索及U鋼支護(hù)材料對(duì)沖擊地壓巷道支護(hù)防護(hù)的不足。對(duì)何滿(mǎn)潮院士基于大變形控制理念提出的恒阻大變形錨桿錨索進(jìn)行力學(xué)測(cè)試,分別進(jìn)行靜力拉伸和動(dòng)力沖擊作用下的支護(hù)阻力和變形進(jìn)行測(cè)試分析。在前人研究基礎(chǔ)上,總結(jié)了巷道防沖支護(hù)原則,提出以恒阻大變形錨桿錨索為主要支護(hù)材料的防沖支護(hù)形式,并通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證。論文各部分研究?jī)?nèi)容具體如下:本文前言論述了近直立煤層礦井烏東煤礦南區(qū)開(kāi)采所面臨的問(wèn)題,分析了其沖擊地壓發(fā)生機(jī)理現(xiàn)有研究成果,并說(shuō)明該問(wèn)題具有進(jìn)一步研究的必要性。探討了沖擊地壓巷道防沖支護(hù)的困難,并總結(jié)了現(xiàn)有沖擊地壓巷道防沖支護(hù)形式和技術(shù),分析了傳統(tǒng)的支護(hù)形式不能滿(mǎn)足巷道圍巖沖擊大變形的控制的要求,以及現(xiàn)有支護(hù)形式在沖擊動(dòng)載荷作用下圍巖大變形破壞現(xiàn)象。采用高預(yù)應(yīng)力主動(dòng)支護(hù)、大變形讓壓和恒阻吸能的沖擊大變形控制理念,提出以恒阻大變形錨桿錨索為主要支護(hù)材料的沖擊大變形控制技術(shù)。闡述了烏東礦區(qū)近直立煤層的分布及其產(chǎn)狀,著重分析了近直立煤層區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造,介紹了烏東煤礦南區(qū)近直立煤層工程地質(zhì)和采掘技術(shù)條件。采用空心包體應(yīng)力解除方法,對(duì)該礦進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試,分析了地應(yīng)力分布規(guī)律和對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,該區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)屬于σHσhσv型,地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。方向與開(kāi)采煤層和回采巷道走向夾角約為82°,對(duì)回采巷道和中間巖柱體的穩(wěn)定性影響極為不利。對(duì)B3+6煤層及其頂?shù)装暹M(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試和沖擊傾向性測(cè)試分析,結(jié)果表明,B3+6煤層強(qiáng)度較大,其頂?shù)装宸凵皫r為致密堅(jiān)硬巖石,b3+6煤層及其頂?shù)装宸凵皫r均具有中等沖擊傾向性。通過(guò)對(duì)烏東煤礦南區(qū)現(xiàn)場(chǎng)三次典型的沖擊地壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行分析,研究其發(fā)生的時(shí)間和空間特征,得到了現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓顯現(xiàn)特征;并深入分析了沖擊地壓發(fā)生的影響因素。由數(shù)值模擬分析其圍巖應(yīng)力分布特征可知,應(yīng)力集中主要分布在b6煤層及其頂板交界處開(kāi)采水平以下30~70m范圍內(nèi),其中最大應(yīng)力集中區(qū)位于開(kāi)采水平以下50m處,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.9~3.1。分析應(yīng)力集中的主要原因?yàn)?350m高的b6煤層堅(jiān)硬頂板在水平不平衡力和重力作用下向采空區(qū)發(fā)生傾斜變形,對(duì)開(kāi)采水平以下煤巖體形成巨大擠壓作用,形成高應(yīng)力集中區(qū)。同時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬分析可知,在b3+6煤層遺留煤柱區(qū)域,中間巖柱體受不平衡水平應(yīng)力和自重作用下,向b1+2采空區(qū)發(fā)生傾斜變形,在其底部形成彎曲作用,造成b3底板巖層出現(xiàn)垂直拉應(yīng)力現(xiàn)象,在巖柱體另一側(cè)造成較大壓應(yīng)力區(qū)。分析數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓發(fā)生特征及圍巖破壞情況,提出烏東煤礦南區(qū)近直立沖擊地壓的兩種類(lèi)型,即堅(jiān)硬頂板高應(yīng)力型沖擊地壓和中間巖柱體力矩型沖擊地壓,并從能量觀點(diǎn)和力學(xué)分析對(duì)其加以說(shuō)明。論述了恒阻大變形錨桿錨索的結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)特點(diǎn)。對(duì)恒阻大變形錨桿錨索進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn),結(jié)果表明,恒阻大變形錨桿錨索具有忍受較大變形的同時(shí)保持恒定支護(hù)阻力的性質(zhì),其支護(hù)阻力與設(shè)計(jì)的恒阻值基本一致。靜力拉伸曲線(xiàn)分為增阻、恒阻和阻力降低三個(gè)階段。在增阻、恒阻階段其拉伸曲線(xiàn)幾乎為理想彈塑性曲線(xiàn),因此具備超常力學(xué)性能。采用重錘自由落體作為動(dòng)力沖擊載荷,對(duì)恒阻大變形錨桿錨索進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在動(dòng)力沖擊作用下恒阻大變形錨桿錨索,仍能保持穩(wěn)定的工作阻力。在沖擊過(guò)程中,通過(guò)恒阻器滑移變形并保持恒定的工作阻力,吸收沖擊能量和減弱動(dòng)力荷載對(duì)桿體的沖擊作用,每次沖擊平均阻力與設(shè)計(jì)恒阻值基本一致,表明恒阻大變形錨桿錨索具備較強(qiáng)的抗沖擊作用。論述了沖擊地壓的特點(diǎn)和對(duì)巷道圍巖的破壞作用,基于此,提出防沖支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具備高支護(hù)強(qiáng)度、變形讓壓、恒定阻力和瞬間吸收沖擊能量的性質(zhì)。由防沖支護(hù)要求和恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)原理出發(fā),從高預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)支護(hù)、忍受大變形和吸能防沖三個(gè)方面論述了恒阻大變形錨桿錨索防沖作用原理。從沖擊地壓發(fā)生的特點(diǎn)出發(fā),論述了防沖支護(hù)的重要性和必要性,和選擇合適防沖支護(hù)材料的關(guān)鍵性�？偨Y(jié)論述了主要防沖支護(hù)原則:(1)避免沖擊地壓原則;(2)預(yù)先評(píng)估;(3)采用大變形吸能主動(dòng)支護(hù);(4)加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù);(5)加強(qiáng)護(hù)表及整體支護(hù)等。提出采用恒阻大變形錨桿錨索為主要材料進(jìn)行防沖支護(hù)設(shè)計(jì)。根據(jù)耦合支護(hù)原理,論述了恒阻大變形支護(hù)自動(dòng)耦合原理。針對(duì)烏東南區(qū)近直立煤層+450水平b3巷道地質(zhì)概況和沖擊地壓顯現(xiàn)特點(diǎn),以其工程地質(zhì)概況進(jìn)行恒阻大變形防沖支護(hù)設(shè)計(jì),提出大斷面預(yù)留量+20t恒阻大變形錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼帶+35t恒阻大變形錨索+底角35t恒阻錨索的耦合支護(hù)形式。根據(jù)能量平衡原理,對(duì)恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)動(dòng)載適應(yīng)性進(jìn)行研究論證,表明以該恒阻大變形錨桿錨索為主要支護(hù)材料的防沖支護(hù)方案能夠有效控制較大礦震震級(jí)沖擊地壓的破壞作用。利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行該方案的模擬實(shí)驗(yàn)研究,在巷道淺部圍巖施加一定能量沖擊載荷,使圍巖位移速度與能量原理驗(yàn)證中圍巖位移速度大致相當(dāng);通過(guò)計(jì)算,恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)體的變形量和圍巖變形量均在設(shè)計(jì)變形范圍以?xún)?nèi),表明恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)能夠抵御該能量的動(dòng)載沖擊作用,具有良好的沖擊防護(hù)效果。
【關(guān)鍵詞】：近直立煤層 烏東煤礦南區(qū) 沖擊地壓 恒阻大變形錨桿錨索 防沖支護(hù)
【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(lèi)號(hào)】：TD324
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 1 引言15-27
• 1.1 問(wèn)題的提出15-16
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-23
• 1.2.1 沖擊地壓機(jī)理研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.2 沖擊地壓機(jī)巷道支護(hù)研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3 存在的問(wèn)題23-24
• 1.3.1 近直立煤層沖擊地壓研究存在的問(wèn)題23-24
• 1.3.2 沖擊地壓巷道防沖支護(hù)存在的問(wèn)題24
• 1.4 研究方法及主要研究?jī)?nèi)容24-26
• 1.5 本文創(chuàng)新點(diǎn)26-27
• 2 近直立煤層組地質(zhì)概況及圍巖特性27-43
• 2.1 工程地質(zhì)27-28
• 2.1.1 地理位置及地貌27-28
• 2.2 礦井概況28-30
• 2.2.1 礦井區(qū)域構(gòu)造28
• 2.2.2 開(kāi)采煤層及頂?shù)装?/span>28-29
• 2.2.3 開(kāi)采概況29-30
• 2.2.4 上覆采空區(qū)遺留煤柱分布30
• 2.3 烏東南區(qū)近直立地層地應(yīng)力測(cè)試30-35
• 2.3.1 測(cè)試方法30-31
• 2.3.2 礦區(qū)構(gòu)造特征及地應(yīng)力分析31-32
• 2.3.3 近直立地層地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試32-33
• 2.3.4 測(cè)量結(jié)果33
• 2.3.5 地應(yīng)力分布特征及與巷道的關(guān)系33-35
• 2.4 烏東南區(qū)圍巖及煤層物理力學(xué)性質(zhì)35
• 2.5 烏東南區(qū)圍巖及煤層沖擊傾向性研究35-40
• 2.5.1 煤的沖擊傾向性參考標(biāo)準(zhǔn)35-36
• 2.5.2 B3+6 煤層沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果36-37
• 2.5.3 頂?shù)装迳皫r沖擊傾向性研究37-40
• 2.6 本章小結(jié)40-43
• 3 近直立煤層沖擊地壓誘因及沖擊類(lèi)型分析43-81
• 3.1 近直立煤層組沖擊地壓特征43-49
• 3.1.1 典型沖擊事件43-46
• 3.1.2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征46-47
• 3.1.3 近直立煤層組主要影響因素47-49
• 3.2 近直立煤層沖擊地壓機(jī)理數(shù)值模擬49-50
• 3.2.1 FLAC3D簡(jiǎn)介49
• 3.2.2 研究?jī)?nèi)容49-50
• 3.2.3 研究目的50
• 3.3 數(shù)值模型建立及方案設(shè)計(jì)50-52
• 3.3.1 數(shù)值計(jì)算模型50-51
• 3.3.2 邊界條件及地層參數(shù)51-52
• 3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析52-68
• 3.4.1 上覆煤體完全采出后圍巖應(yīng)力響應(yīng)及變形分析52-58
• 3.4.2 相鄰煤層存在煤柱情況下圍巖應(yīng)力分布分析58-62
• 3.4.3 本煤層存在煤柱情況下圍巖應(yīng)力分布分析62-68
• 3.5 近直立煤層組沖擊地壓類(lèi)型及分析68
• 3.6 近直立煤層頂板高應(yīng)力型沖擊地壓能量機(jī)理分析68-75
• 3.6.1 沖擊地壓發(fā)生的最小能量密度69-70
• 3.6.2 煤巖體應(yīng)變能量計(jì)算70-73
• 3.6.3 動(dòng)壓誘發(fā)沖擊地壓分析73-75
• 3.7 近直立地層力矩型沖擊地壓75-78
• 3.7.1 巖柱體受力分析76-77
• 3.7.2 巖柱體彎曲能量分析77-78
• 3.8 本章小結(jié)78-81
• 4 恒阻大變形防沖支護(hù)技術(shù)研究81-105
• 4.1 恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)材料81-83
• 4.1.1 工程大變形問(wèn)題呼喚新型支護(hù)材料81
• 4.1.2 恒阻大變形錨桿錨索結(jié)構(gòu)組成81-82
• 4.1.3 恒阻大變形錨桿錨索技術(shù)特點(diǎn)82-83
• 4.2 恒阻大變形錨桿錨索靜力學(xué)特性試驗(yàn)研究83-90
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒霸O(shè)計(jì)83
• 4.2.2 恒阻大變形錨桿實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析83-88
• 4.2.3 恒阻大變形錨索實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析88-90
• 4.3 恒阻大變形錨桿錨索動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)研究90-96
• 4.3.1 動(dòng)力實(shí)驗(yàn)?zāi)康�、方法及設(shè)計(jì)90
• 4.3.2 恒阻大變形錨桿動(dòng)力實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析90-94
• 4.3.3 恒阻大變形錨索動(dòng)力實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析94-96
• 4.4 恒阻大變形錨桿錨索支護(hù)防沖原理96-102
• 4.4.1 沖擊地壓對(duì)圍巖破壞特征96-97
• 4.4.2 沖擊地壓對(duì)圍巖支護(hù)要求97-102
• 4.5 本章小結(jié)102-105
• 5 回采巷道恒阻大變形防沖支護(hù)及數(shù)值模擬研究105-125
• 5.1 沖擊地壓巷道防沖支護(hù)的重要性105-106
• 5.2 防沖支護(hù)設(shè)計(jì)原則106-109
• 5.2.1 避免沖擊地壓原則107
• 5.2.2 預(yù)先評(píng)估107
• 5.2.3 大變形吸能主動(dòng)支護(hù)107-108
• 5.2.4 加強(qiáng)關(guān)鍵部位支護(hù)108
• 5.2.5 加強(qiáng)護(hù)表及整體支護(hù)108-109
• 5.3 烏東南區(qū)近直立煤層回采巷道防沖支護(hù)109-113
• 5.3.1 恒阻大變形錨桿錨索自動(dòng)耦合支護(hù)原理109-110
• 5.3.2 恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)方案110-112
• 5.3.3 恒阻大變形錨桿錨索防沖支護(hù)動(dòng)載適應(yīng)性研究112-113
• 5.4 恒阻大變形防沖支護(hù)動(dòng)力沖擊數(shù)值模擬研究113-122
• 5.4.1 數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容及模型建立114-116
• 5.4.2 模型加載方案116-117
• 5.4.3 沖擊載荷作用下恒阻大變形防沖支護(hù)效果分析117-122
• 5.5 本章小結(jié)122-125
• 6 結(jié)論125-127
• 參考文獻(xiàn)127-135
• 致謝135-137
• 作者簡(jiǎn)介137

【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)：842328