地下开采围岩稳定性及控制技术研究

论文摘要

地下开采改变了围岩的应力分布状态,进而影响到围岩的位移以及破坏场分布,降低了围岩的稳定性,因此充分认识地下开采引起的围岩应力变化,选用有效的支护措施是确保围岩稳定的关键所在。本文以窑街煤电有限责任公司天祝煤矿为研究背景,对矿区内大倾角坚硬厚煤层综放工作面开采技术、采空区下薄顶煤大断面巷道支护技术及优化展开了多方位、全方面研究,获得了丰硕的研究成果。大倾角综放工作面通过相似材料模拟试验研究,揭示了在倾斜方向上,采空区顶板运动和断裂具有明显的非对称性冒落与充填特征,老顶岩层在倾斜方向上可形成铰接拱梁结构,总体上可分为四个特征区,由上山向下山侧依次分为:Ⅰ、自由冒落区;Ⅱ、上拱脚支承区;Ⅲ、老顶岩层铰接区;Ⅳ、下拱脚支承区。数值计算方法进一步揭示了大倾角综放工作面倾斜剖面上应力拱的形态。工作面上方存在的应力拱结构下拱脚位于沿煤层倾向工作面下端煤层和附近底板岩层中,上拱脚位于沿煤层倾向工作面上部顶煤和直接顶中,应力拱中的最大主应力高于拱内外岩层中的应力。应力拱是主要的承载体,上覆岩体荷载和压力通过应力拱传递到工作面上下隅角位置,形成上下顺槽附近的支承压力。综放面位于应力拱保护下的低应力区内,这是综放面主要的力学特征。对大断面薄顶煤巷道,采用FLAC和UDEC程序建立地质模型,证明了在该环境下开掘巷道的可行性,并对巷道的锚网支护设计进行了深入研究。利用正交试验方法研究了巷道支护锚杆间距、排距、直径等关键因素对支护效果的影响;采用极差分析法揭示了各关键因素对支护效果的影响程度;运用模糊理论和灰色关联理论对支护方案进行了优化;采用数值模拟方法对优化支护方案的支护效果进行了验证。通过对大断面薄顶煤巷道围岩压力分布规律的数值模拟研究,为采空区边缘回风巷合理位置的选择提供了理论依据,在此基础上设计了切实可行的支护方案。采用多种监测技术手段,对巷道不同顶煤厚度条件下围岩的压力、变形和破坏进行现场监测,对锚网联合支护效果进行评价。揭示了不同顶煤厚度条件下巷道周围压力分布、围岩移动变形与破坏规律,同时验证了巷道控制的必要性、有效性和安全性。本文在大倾角坚硬煤层综放开采技术研究以及采空区下薄顶煤大断面巷道锚网联合支护技术研究中取得了新的认识和发展,获得了丰硕的理论、实验研究和工程成果,富有理论价值和实际指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 综采放顶煤技术概述
• 1.2 锚杆、锚索支护发展现状
• 1.3 锚杆支护作用原理
• 1.4 全长树脂锚杆锚固作用机理
• 1.5 问题的提出
• 1.6 课题研究内容
• 2 工程地质概况
• 2.1 地理位置
• 2.2 地形地貌
• 2.3 气候概况与地震烈度
• 2.4 水文地质
• 2.5 地质构造
• 2.5.1 地层
• 2.5.2 构造
• 2.6 煤层特征
• 3 岩石力学实验研究
• 3.1 概述
• 3.2 试验仪器和试验原理
• 3.2.1 岩石密度试验
• 3.2.2 岩石劈裂试验
• 3.2.3 岩石单轴压缩及变形试验
• 3.2.4 岩石三轴压缩及变形试验
• 3.2.5 岩石饱水试验
• 3.2.6 岩石抗剪试验
• 3.3 煤岩力学试验结果
• 3.3.1 岩石密度试验结果
• 3.3.2 劈裂试验结果
• 3.3.3 岩石单轴试验及饱水试验结果
• 3.3.4 三轴压缩试验结果
• 3.3.5 实验结果汇总
• 3.4 小结
• 4 大倾角综放工作面覆岩运动规律的相似试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 实验方法与原理
• 4.3 工程背景
• 4.3.1 工作面位置
• 4.3.2 煤层特征
• 4.4 大倾角综放工作面走向相似模拟实验研究
• 4.4.1 实验模型参数
• 4.4.2 采场顶煤及顶板活动规律
• 4.4.3 煤岩断裂垮落的几个特征
• 4.4.4 矿山压力显现规律
• 4.4.5 综放支架工作阻力分析
• 4.5 大倾角综放工作面倾向相似模拟实验研究
• 4.5.1 实验模型参数
• 4.5.2 支架布置与测试
• 4.5.3 实验现象与分析
• 4.6 小结
• 5 大倾角综放采场矿山压力分布规律数值模拟研究
• 5.1 数值模拟方法
• 5.1.1 有限差分方法
• 5.1.2 基本力学方程
• 5.1.3 三维有限差分方程
• 5.1.4 显式有限差分算法——时间递步法
• 5.1.5 计算程序简介
• 5.2 计算模型及计算参数
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 计算参数
• 5.2.3 模拟过程
• 5.3 综放面煤层力学场特征
• 5.3.1 综放面煤层应力分布
• 5.3.2 综放面煤层破坏区分布
• 5.3.3 综放面顶煤力学场特征
• 5.3.4 综放面顶煤破坏场特征
• 5.4 综放采场围岩力学场特征
• 5.4.1 沿工作面走向围岩应力场特征
• 5.4.2 沿工作面走向围岩破坏场特征
• 5.4.3 沿工作面走向围岩位移场特征
• 5.4.4 沿工作面倾向围岩应力场特征
• 5.4.5 沿工作面倾向围岩破坏场特征
• 5.4.6 沿工作面倾向围岩位移场特征
• 5.5 支架受力状态分析
• 5.5.1 支架—围岩作用系统分析
• 5.5.2 支架受力与位移
• 5.6 小结
• 6 大断面薄顶煤巷道锚网支护关键因素研究与设计优化
• 6.1 工程背景
• 6.2 关键力学问题分析
• 6.3 巷道支护的现状分析
• 6.4 煤巷锚网支护设计优化
• 6.4.1 计算模型
• 6.4.2 正交试验设计
• 6.4.3 正交试验计算结果
• 6.4.4 计算结果分析
• 6.4.5 基于灰色模糊关联理论的设计优化
• 6.5 煤巷锚网支护设计方案数值模拟研究
• 6.5.1 三维模型的建立
• 6.5.2 计算过程
• 6.5.3 计算结果分析
• 6.6 小结
• 7 煤巷超前锚杆支护机理与优化设计研究
• 7.1 超前锚杆支护机理
• 7.2 数值计算模型
• 7.3 计算结果分析
• 7.3.1 超前支护效果分析
• 7.3.2 超前支护最优方案分析
• 7.4 小结
• 8 采空区边缘回风巷合理位置的研究
• 8.1 引言
• 8.2 数值计算模型
• 8.3 初始应力场分析
• 8.4 回风巷位置的设计方案
• 8.5 计算结果分析
• 8.5.1 开挖巷道后围岩应力场分析
• 8.5.2 开挖巷道后围岩破坏场分析
• 8.5.3 巷道支护后围岩位移场分析
• 8.6 小结
• 9 巷道综合控制技术理论分析
• 9.1 运输巷支护形式选择及强度校核
• 9.1.1 支护形式的选择
• 9.1.2 支护参数的计算
• 9.1.3 支护抗力的校核
• 9.2 回风巷位于上层煤柱中时支护形式及支护参数选择
• 9.2.1 支护形式的选择
• 9.2.2 支护参数的计算
• 9.2.3 支护抗力的校核
• 9.3 回风巷穿越采空区下方时支护形式及支护参数选择
• 9.3.1 支护形式的选择
• 9.3.2 支护参数的计算
• 9.3.3 支护抗力的校核
• 9.4 运输巷支护形式及支护方案设计
• 9.4.1 顶煤厚3.0m以上时支护方案
• 9.4.2 顶煤厚小于3.0m时支护方案
• 9.5 回风巷支护形式及支护方案设计
• 9.5.1 回风巷位于上层煤柱中时支护方案
• 9.5.2 回风巷位于采空区下方时支护方案
• 10 巷道稳定性监测及临时加固技术
• 10.1 监测方案
• 10.2 运输巷巷道表面变形监测及结果分析
• 10.2.1 监测站布置
• 10.2.2 监测数据的获取
• 10.2.3 巷道断面收敛监测结果分析
• 10.2.4 支护效果评价
• 10.3 回风巷巷道表面变形监测及结果分析
• 10.3.1 观测站布置
• 10.3.2 监测数据的获取
• 10.3.3 巷道断面收敛监测结果分析
• 10.3.4 支护效果评价
• 10.4 临时加固技术
• 结论
• 创新点
• 参考文献
• 在学研究成果
• 发表论文情况
• 在学期间完成的工程技术工作
• 致谢
• 附录