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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

谭云亮构建超大断面硐室群围岩支护方法

2022-01-05

  为适应煤矿智能化、集约化等方面的要求,越来越多大及超大断面硐室群需在井下布置。这类硐室群多密集分布,维护难度大,围岩变形严重,极易诱发围岩失稳。尤其是当某一硐室失稳时,将可能诱发周围硐室联动失稳,严重影响深部大断面硐室的安全利用。

  

  目前,我国对深部超大断面硐室及硐室群稳定性研究主要集中在分类方法、围岩失稳机制及加固控制技术方面。

  

  近日,山东科技大学谭云亮教授团队联合矿大(北京)等单位科研人员在借鉴现有研究基础上,以新巨龙煤矿-800m水平煤矸分选硐室群为背景,对煤矿深部硐室地质力学等效分类方法进行研究,对超大断面硐室群围岩非线性流变演化规律及其连锁失稳机理进行揭示,并构建了以围岩长期变形控制为目标的超大断面硐室群围岩支护设计方法及失稳监测预警技术。相关研究成果以《煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展》(点击下载全文)为题于12月31日在《煤炭学报》进行了网络首发。

  

  针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足,研究综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等主要影响因素,建立了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法,将煤矿硐室分为超小、小、中等、大和超大共5类,通过判识发现新巨龙煤矸分选硐室群属于超大断面硐室群。

  

  谭云亮等分别采用TOP三轴流变仪和改进的SHPB试验装置对深部岩石进行了蠕变力学试验和动载力学试验,揭示了深部岩石蠕变变形特征、脆-延转化破裂机制及其强度演化规律,获得了深部岩石在冲击和循环动载下的动态破坏力学行为特征,在此基础上构建了考虑密实系数的深部岩石损伤本构关系

  

  基于深部硐室围岩典型载荷特征,研究构建了深部超大断面硐室群失稳力学模型,获得了硐室群围岩连锁失稳力学及能量判据,揭示了复杂应力环境下双硐及硐室群围岩变形破坏演化规律

  

  新巨龙煤矿煤矸分选系统内部硐室相互交岔呈“井”字型布置,硐室群中最大断面尺寸可达104.3m2,且硐室间距范围15.0~41.0m。选取筛分破碎硐室与煤泥水处理硐室组成的锐角交岔区域(区域C)为研究对象。


基于上述理论分析方法,研究人员对新巨龙煤矿煤矸分选硐室群进行失稳判定,发现当外界动载为0~2.0MPa时,区域C整体保持稳定。随着外界动载强度增加,围岩开始发生连锁破坏失稳。当动载强度为2.0~4.4MPa时,围岩处于缓变失稳状态;当动载强度增至4.4~5.0MPa时,围岩处于加速失稳状态。因此,需要通过施加合理的支护手段,提高围岩的抗震吸能特性,以保证硐室群整体长期稳定。

  

  锚杆作为一种常用的支护手段被广泛应用于隧道、采场等地下巷道及硐室稳定性控制中。研究人员通过试验研究将锚固岩石抵抗动载的过程分为三个阶段,即协同变形阶段、不协同变形阶段和失效阶段。为了定量描述锚固岩体在动载下的支护效能,将锚固岩石中锚杆失效前发挥的效用称为抗冲时效。抗冲时效越大,锚固岩体抵抗动载的能力越强,越不容易发生破坏失稳。在理论分析基础上,研发了具有超塑性能特性的新型高强支护材料以及高强拉压耦合锚索

  

  基于长期安全稳定性,谭云亮等构建了深部硐室群围岩长期稳定性递进式加固技术体系及分步设计方法,确定了新巨龙煤矿煤矸分选硐室群锚固围岩支护参数。采用多参量权重分析法,综合考虑锚杆/索受力、围岩深部位移及表面位移,提出了围岩综合监测方法及预警阈值,搭建了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台

  

  通过对新巨龙煤矿煤矸分选硐室群围岩的长期跟踪监测,发现硐室断面最大收缩率约6.2%,松动圈发育范围约1.0~1.5m,硐室群在使用期间保持整体稳定。

  

  这项研究得到了国家重点研发计划、山东省泰山学者攀登计划的资金支持。


图16.jpg

高强拉压耦合锚索示意图



谭云亮图20.jpg

超大断面硐室群围岩失稳智能化预警平台组成



  责任编辑:宫在芹
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