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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“巷道围岩控制”专题(《煤炭学报》)

来源:煤炭学报

专题整理于2021年5月,为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“巷道围岩控制”主题论文。

行业视野

采矿

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  • 作者(Author): 董恩远, 王卫军, 马念杰, 袁超

    摘要:针对巷道锚杆锚索联合支护失效形式,基于围岩变形特征建立了能够反映围岩加速蠕变的本构模型以及锚杆工作特性的锚固体本构模型,通过求解出的锚固体蠕变方程分析锚固基础位置对围岩变形的控制作用,结果表明:锚杆支护对围岩的蠕变控制机理可概括为:分担围岩承受的载荷和等效增大围岩刚度,增强围岩抵抗变形能力两部分。充分发挥锚杆支护性能、延长锚杆支护时效、维持巷道处于稳定工作状态所需的空间需要同时满足两个条件:锚杆受载不超过杆体破断载荷,锚固基础位于塑性区之外;端锚形式的锚固基础位于弹性岩体中能够最大程度发挥支护系统的承载能力,端锚锚固形式的着力基础位于稳定的弹性围岩中,围岩变形后锚固基础能迅速发生锚固作用,优于全长锚固形式;可接长锚杆具有延伸率大、可灵活设置锚杆长度的优点,能解决蒲河矿西三采区集中运输大巷锚杆易发生滑脱失效、锚索易发生破断失效的问题。
  • 作者(Author): 镐振, 郭林峰, 赵希栋, 陈国祥, 张国华

    摘要:由冲击动力造成的巷道破坏是一种典型的煤岩动力灾害,严重威胁着矿井的安全生产。针对千秋矿21141工作面运输巷频繁发生冲击破坏的问题,在分析典型巷道冲击破坏微震监测能量特征的基础上,开展了常规三轴压缩试验并结合理论分析、数值模拟等手段,研究了煤岩体发生冲击破坏时的能量特征。研究结果表明:巷道围岩冲击破坏发生前,微震监测最大能量波动幅度较小,但是每次巷道围岩冲击破坏事件的发生均伴随有微震监测能量的急剧增大;试件双向载荷比值(轴压/围压)对声发射能量特征有显著影响,加载速率相同时,围压越大,能量峰值越小;在一定条件下,采动应力、巷道扩修、巷内爆破等事件产生的扰动加载作用能够改变区域应力场中巷道双向载荷比值,使得塑性区形态特征由非蝶形转化为蝶形,或导致塑性区蝶叶出现瞬时扩展,并以震动、声响和煤岩碎块抛出的形式释放存储于围岩系统中的大量能量,从而诱发巷道围岩冲击破坏。在实际的工程实践中,可以采取降低采煤工作面推进速度、控制开采截深、调控巷道围岩区域应力场等措施,以减小煤岩体的加载速率,防止大能量事件的产生,避免巷道蝶形塑性区瞬时扩展过程中能量的突然释放。
  • 作者(Author): 王宏伟, 张登强, 邓代新, 姜耀东, 刘洋洋

    摘要:煤矿巷道围岩的应力状态与稳定性关系密切,巷道围岩破碎区的分布范围及应力分布特征的研究,对于确定巷道支护方案,提高巷道围岩稳定性具有重要的理论意义和工程指导价值。以非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区分布范围为研究对象,建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型,给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解,对比分析了2者随埋深及侧压系数的变化特征。以大兴煤矿北二采区902工作面运输巷道为工程背景,通过数值分析和理论计算,对比分析了巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征,评价了围岩稳定性。研究结果表明:在巷道掘进后围岩环向正应力的变化明显比径向正应力剧烈,围岩破坏的主要形式是沿纵向开裂;由于不同区域的围岩变形特征不同,使其黏聚力及内摩擦角等物理力学参数的大小存在差异,从而导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象;在一定埋深范围内巷道围岩破碎区及塑性区范围随埋深的增加而线性增大。当巷道埋深较小时,巷道围岩破碎区较小,巷道处于相对稳定的状态。当埋深较大时,巷道左、右两帮处较顶底板更易发生失稳破坏;塑性区及破碎区半径的比值随埋深及侧压系数的增大而减小,且随着埋深的增大,侧压系数对围岩塑性区及破碎区范围的影响程度逐渐减小,当埋深增大到一定程度时,围岩应力状态趋于静水压力状态;当埋深达到1 500 m时,围岩达到了极限平衡状态。
  • 作者(Author): 陈国祥, 郭兵兵, 镐振

    摘要:针对高静载巷道蠕变型冲击地压现象,研究弹性区煤岩加速蠕变对巷道冲击的影响。基于等时应力应变曲线与全应力应变曲线的关系,得到了煤岩加速蠕变破坏的时效力学参数。通过分析巷道弹性区煤岩加速蠕变过程及其条件,并考虑围岩塑性区强度的应变软化,推导出圆形巷道围岩蠕变塑性区应力场。在此基础上,借鉴冲击地压扰动响应判别准则理论的思想,探讨了巷道围岩加速蠕变影响下的冲击启动机制,给出了冲击启动临界条件的解析解,分析了支护力和等时应力-应变曲线的割线模量比Mt对冲击临界条件的影响。结果表明:高地应力、初次支护的低支护力和煤的低单轴长期强度为巷道弹性区煤岩产生加速蠕变提供了有利条件,加速蠕变导致冲击启动通过弹性区煤岩强度的时效劣化实现;巷道所处地应力越高,弹性区煤岩只需历经较小的强度劣化,就可冲击启动;加速蠕变影响下,增大支护力对抑制冲击发生有促进作用,表现在支护力越高,弹性区煤岩需历经较大的强度劣化才可冲击启动,且启动时围岩内峰值应力较低、塑性区阻抗较大;煤岩单轴压缩峰后与峰前模量比(λ/E0)是巷道弹性区煤岩产生加速蠕变的非影响因素,但其是巷道冲击启动的重要影响因素,即巷道弹性区煤岩产生加速蠕变的临界地应力判据与模量比无关,模量比越小弹性区煤岩需历经更大程度的强度劣化才可冲击启动;抑制巷道蠕变冲击的核心在于控制弹性区煤岩不满足产生加速蠕变的条件。
  • 作者(Author): 康红普, 姜鹏飞, 黄炳香, 管学茂, 王志根, 吴拥政, 高富强, 杨建威, 程利兴, 李建忠

    摘要:针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题,以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景,分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法,从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面,揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念,采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律,阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料,研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备,形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数,并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明,巷道围岩协同控制技术应用后,巷道变形量降低50%以上,锚杆、锚索破断率降低90%,工作面采动应力明显减小,有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后,对下一步的研究工作进行了展望。
  • 作者(Author): 靖洪文, 尹乾, 朱栋, 康红普, 孙彦景, 王勃

    摘要:为了探索深部巷道围岩锚固结构从开始承载至整体失稳全过程,揭示围岩内部应力及变形破裂演化规律,以口孜东矿-967 m水平西翼轨道大巷为工程背景,依托自主研制的深部地下工程结构失稳全过程模拟试验系统,结合声发射、电磁辐射、电阻率、数字散斑等多源地球物理信息监测技术,对无支护、锚杆支护及锚杆索支护巷道围岩锚固结构承载特性及变形破裂演化特征进行大尺度物理模型试验研究。试验获得了不同支护锚固结构变形破裂全过程荷载-位移曲线,随着支护强度的增加,荷载-位移曲线应力跌落现象逐渐减弱,而锚固结构峰值承载能力、等效弹性模量和峰值位移分别增加了82.57%,33.33%和107.24%,巷道围岩越容易形成“压力拱”结构效应,抵抗变形的能力逐渐增强;试验过程中,顶板围岩变形量最大,两帮次之,底板最小,锚固结构破坏特征随支护强度的增加由张拉裂纹为主的脆性破坏向剪切滑移为主的塑性破坏转化;多源地球物理信息响应特征与荷载-位移曲线具有良好的耦合关系,随着支护强度的增加,锚固结构内部单位时间破坏次数逐渐减少,电磁辐射强度及脉冲数均逐渐减弱;声发射事件与锚固结构裂纹萌生扩展呈现较好的对应特征,在模型进入非稳定破坏阶段,随着裂纹迅速扩展,声发射活动异常活跃;随着荷载的增加,锚固结构由于裂纹发育趋于松散破裂,视电阻率逐渐升高导致区域导电能力逐渐降低,随着支护强度的增加,锚固结构的高阻区形成时间变大而范围变小。
  • 作者(Author): 黄炳香, 张农, 靖洪文, 阚甲广, 孟波, 李楠, 谢文兵, 焦金宝

    摘要:与浅部相比,深部巷道,特别是千米深井采动巷道,地应力高、采动影响强烈,导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重,目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此,采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法,从应力强度比出发,并考虑偏应力和梯度应力,提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念,探讨了其科学内涵,并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上,基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征,初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动,且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力,扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发,揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。
  • 作者(Author): 赵光明, 许文松, 孟祥瑞, 刘崇岩

    摘要:地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:① 单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;② 随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③ 高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④ 动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148.6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142.4 MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。
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