深井综放沿空巷道围岩变形演化规律及控制

论文摘要

深井综放沿空掘巷围岩稳定问题是目前煤矿开采和岩石力学研究的难点和热点之一,尽管目前有关深部巷道围岩破坏失稳的机理及其相关研究已经取得了许多进展,但由于研究问题的复杂性,现有的巷道破坏机理及稳定控制的研究尚不成熟,尤其缺乏对深部综放开采沿空掘巷围岩变形破坏演化过程的研究。本文结合国家自然科学基金重大项目“深部采动覆岩移动规律及巷道稳定性控制研究(50490273)”以及面上项目“深部巷道围岩变形、破坏全过程及其稳定控制机理(50674083)”,以目前我国煤矿井工开采生产能力最大的兖州煤业股份有限公司东滩矿为工程背景,充分考虑深井综放开采沿空掘巷及受采动围岩的位移场、应力场的演化过程及破坏特征,在总结和吸取前人研究成果基础上,通过三维数值模拟、物理模拟试验、理论解析及现场巷道围岩采动前后全过程实测的综合技术路线,对其进行了深入系统的研究。(1)基于采场覆岩关键层理论和经典力学理论,对深井综放开采沿空巷道的上覆岩层运动规律及沿空掘巷围岩变形机理进行理论分析,建立了相应的力学模型并进行了解析公式的推导,获得了综放沿空掘巷三角块结构稳定性系数及围岩应力分布规律;以工程原型为背景深入分析深井综放沿空掘巷围岩稳定机理,确定了沿空巷道围岩稳定的主要影响因素及相互作用关系。(2)在相似材料模拟实验台上,模拟研究了目前煤矿常用三种支护结构的性能差异,分析不同煤柱宽度和开采深度条件下主动支护和被动支护对巷道围岩应力和位移的影响规律及其力学作用机理,进而对锚梁网索联合支护结构的稳定性效果进行分析,得出了锚索在沿空掘巷支护中的作用机理与使用条件,提出了巷道“高强度整体支护”的技术思路。(3)采用FLAC3D软件,数值模拟研究了不同煤柱宽度、不同埋深及采动前后沿空巷道的围岩内部位移、周边收敛变形与围岩应力的演化规律,获得了沿空掘巷在采动条件下围岩稳定性随影响因素的变化规律,提出了深井综放沿空巷道围岩控制“抗、固、卸”的新思路以及“过程控制”与“动态迭加支护”的新观点。(4)针对14309综放沿空掘巷的具体条件,研究确定了其合理煤柱宽度为4m;设计了“强力锚固支护系统与注浆加固以及采动影响时的煤帮钻孔卸压和顶板超前加强支护”的技术方案;实测研究了现场沿空煤巷掘进至工作面采动影响结束全过程的围岩内部位移、周边位移、围岩应力及锚杆支护力的变化规律,验证了理论研究成果的可靠性,有效地控制了巷道的围岩变形,成功的进行了工业性试验,取得了良好的技术经济效益。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Abstract （detailed）
• 1 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 综放开采沿空巷道围岩变形、破坏机理的现状
• 1.2.2 沿空掘巷窄煤柱宽度研究现状
• 1.2.3 综放开采沿空煤巷围岩支护理论与技术研究现状
• 1.2.4 深井巷道的支护现状
• 1.3 目前研究存在的问题
• 1.4 研究内容与方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法与技术路线
• 1.5 创新点
• 2 深井综放沿空掘巷围岩应力及变形演化规律数值模拟
• 2.1 工程概况
• 2.2 数值模拟模型的建立
• 2.2.1 FLAC3D简介
• 2.2.2 数值模拟模型的建立
• 2.2.3 数值模拟方案
• 2.3 模拟结果分析
• 2.3.1 相同埋深不同煤柱宽度时围岩应力与位移演化规律
• 2.3.2 相同煤柱宽度不同埋深时围岩应力与位移演化规律
• 2.3.3 不同煤柱宽度不同埋深时围岩位移的对比分析
• 2.4 围岩过程控制原理与动态叠加支护技术
• 2.4.1 深井综放沿空掘巷围岩的过程控制原理
• 2.4.2 深井综放沿空掘巷围岩的动态叠加支护技术
• 2.5 本章小结
• 3 深井综放沿空掘巷合理支护结构及作用机理物理模拟
• 3.1 深井综放沿空掘巷合理支护结构的物理模
• 3.1.1 模型设计
• 3.1.2 不同支护结构对综放沿空掘巷的支护效果
• 3.2 深井综放沿空掘巷合理支护结构的数字照相量测研究
• 3.2.1 模型设计
• 3.2.2 不同支护条件下深井综放沿空掘巷围岩变形演化规律
• 3.3 不同支护结构作用机理的结构分析
• 3.3.1 工字钢支护作用机理的结构分析
• 3.3.2 锚梁网（索）支护作用机理的结构分析
• 3.4 锚杆（索）与围岩共同作用机理分析
• 3.4.1 锚杆与围岩共同作用机理
• 3.4.2 锚索与围岩共同作用机理
• 3.5 本章小结
• 4 深井综放沿空掘巷围岩应力与变形演化规律理论研究
• 4.1 掘巷前深井综放沿空掘巷围岩力学模型
• 4.1.1 掘巷前深井综放面侧向煤岩体力学模型
• 4.1.2 弧三角形关键块B的结构参数
• 4.1.3 掘巷前三角块受力分析
• 4.1.4 掘巷前三角块下部煤体受力分析
• 4.2 掘巷后深井综放沿空掘巷围岩力学模型
• 4.2.1 深井综放沿空掘巷顶板力学模型
• 4.2.2 深井综放沿空掘巷实体煤帮力学模型
• 4.2.3 深井综放沿空掘巷煤柱帮力学模型
• 4.2.4 深井综放沿空掘巷底板力学模型
• 4.3 深井综放沿空掘巷围岩稳定性计算实例
• 4.3.1 计算参数取值
• 4.3.2 计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 工程应用
• 5.1 工程概况
• 5.2 围岩控制方案设计
• 5.2.1 设计思路与原则
• 5.2.2 掘巷期间静态支护设计
• 5.2.3 回采期间动态叠加支护设计
• 5.3 支护效果实测分析
• 5.3.1 综放沿空掘巷围岩应力实测分析
• 5.3.2 综放沿空掘巷围岩位移实测分析
• 5.3.3 综放沿空掘巷锚杆受力实测分析
• 5.4 研究结果的技术经济分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集