高地应力煤巷围岩大变形机理及控制技术

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随着我国工业的不断发展,对于煤炭资源的需求量仍然很大,我国东部地区的浅部煤炭资源的开采逐渐进入尾声,深部煤炭开采是当前以及未来发展的重点。但是深部开采也面临着非常多且艰巨的难题,例如深部高水平应力引起的强烈矿压显现,是煤炭深部开采中难题之一。山东裕隆集团有限公司下辖的义能煤矿13皮带大巷由于水平应力的影响,巷道围岩出现了大变形,进行了多次返修,严重影响了义能煤矿的正常生产。本文以义能煤矿13皮带大巷为工程背景,通过理论分析、数值模拟、室内实验及现场监测的综合研究方法,对13皮带大巷围岩的稳定性进行了分析,提出了适用于13皮带大巷的围岩控制技术及方案,并将所提出的支护方案对其进行了现场应用及数据监测,取得了以下主要研究结果:(1)通过对13皮带大巷进行现场地应力测试,测试结果为:最大水平主应力为25.01MPa,最小水平主应力为12.56MPa,并且水平应力的方向与13皮带大巷的掘进方向接近垂直,通过计算得到垂直应力为19.55 MPa。通过对13皮带大巷钻孔窥视最终得出:巷道顶板0.6m左右围岩破碎现象明显,0.6m~1.5m范围内多有离层及裂隙发育,1.5m以上围岩完整,无破碎及裂隙发育;巷道两帮1.6m左右围岩破碎现象明显,1.6m~5.0m范围内多有离层及裂隙发育。(2)通过理论分析研究了侧压系数对13皮带大巷两帮塑性区的影响,结果显示:13皮带大巷两帮塑性区的范围与其侧压系数成正比。通过数值模拟研究了侧压系数对13皮带大巷围岩稳定性的影响,研究结果显示:13皮带大巷巷道变形量随着侧压系数的增大而逐步增加。尤其是两帮位移严重影响了巷道的正常使用。因此13皮带大巷围岩控制的重点在于控制巷道两帮的变形。(3)通过对13皮带大巷围岩稳定性的分析,针对13皮带大巷帮部大变形的问题提出了锚杆+锚索的联合支护方式。分析锚杆与锚索各自的支护机理,根据钻孔窥视围岩内部破裂分区情况和数值模拟中两帮塑性区的范围,发现帮部锚杆的长度无法锚固到稳定的岩层中,从而无法有效控制巷道帮部变形的问题,提出了在帮部采用锚杆+锚索相结合的支护方式,并且对不同长度的锚杆和锚索进行了分析比选,确定了合理的锚杆+锚索组合参数为锚索8.0m、锚杆2.4m。(4)在13皮带大巷试验段巷道采用设计的优化方案进行支护并对13皮带大巷的表面位移、内部位移和受力情况进行了现场监测,监测结果表明:设计的优化方案可以对13皮带大巷的围岩进行有效的控制,大大减小了冒顶片帮的情况,监测30天后巷道的变形情况基本稳定,两帮移近量412mm,顶底板移近量173mm。通过分析13皮带大巷锚杆锚索的受力曲线,可以清楚的发现其均能提供较大锚固力。
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