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《中国矿业大学》 2011年
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深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩稳定与控制研究

肖同强  
【摘要】:随着煤矿开采深度的增大,厚煤层巷道支护难度逐渐增大,尤其在构造应力的作用下,支护问题更为突出。本文在分析巨野矿区深部构造应力场分布特征的基础上,综合运用理论分析、数值计算、相似模型试验、现场试验等方法,开展了深部构造应力作用下沿煤层顶板掘进巷道和厚顶煤巷道两类厚煤层巷道围岩稳定与控制研究,主要研究成果为: (1)对巨野矿区地应力实测数据进行了分析,得到该矿区千米深部地应力场分布规律,地应力场以水平应力为主导,最大水平应力一般为30~40MPa,最大水平应力是垂直应力的1.5~3.2倍;最大水平应力方位角在N60°E左右,与区域构造应力方向(东西向)的夹角平均为30°。断层附近地应力场反演分析结果表明,断层附近地应力出现集中,尤其在断层端部,最大水平应力达到40MPa以上,应力方向变化也较大,最大水平应力方向偏转达30°~60°。 (2)分析了深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩塑性区、围岩位移及围岩应力的分布特征,揭示了深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩变形破坏机制:两帮沿顶板或底板层理面滑移,且构造应力越大,滑移量越大,滑移量成为两帮相对移近量的重要组成部分;层理面附近垂直应力和水平应力的差值增大,促使层理面附近的软弱围岩发生破坏,围岩塑性区沿层理面向深部发展。 (3)采用平面应变相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力、层理面对厚顶煤巷道变形破坏的作用机理。试验结果表明,埋深及构造应力越大,顶煤横向弯曲变形、沿水平层理的滑移错动及其剪切破坏特征越明显,顶板锚杆发生剪切破断的可能性越大。采用数值计算分析得到了深部构造应力下厚顶煤巷道围岩变形破坏机制:顶煤和直接顶之间的层理面的剪切破坏,促使顶煤形成“倒梯形”塑性区,引起顶煤不稳定区域增大,甚至垮冒失稳。 (4)建立了肩角帮锚杆力学分析模型,分析了层理面的滑移对锚杆的作用,得到了锚杆变形与应力计算式,揭示了构造应力作用下厚煤层巷道肩角帮锚杆杆体及锚尾破断机制:杆体破断的原因:在煤帮沿顶板层理面的滑移剪切力作用下,杆体发生弯曲变形,并且在层理面处受到的剪切力最大,而使得锚杆在层理面处易被剪断;锚尾破断的主要原因:一是杆体弯曲变形导致的锚尾轴力的增大,而且肩角锚杆倾角越大,锚尾轴力越大;二是煤体变形支护体系产生的偏心载荷致使锚尾下侧所受拉力增大。 (5)针对煤帮滑移变形大、肩角锚杆破断等问题,提出了深部构造应力作用下沿煤层顶板掘进巷道“高强高预紧力锚杆支护、控让耦合支护”围岩控制技术,其作用机制为:允许煤帮沿顶板层理面发生一定的滑移变形,即采取“让”的方式,同时应限制肩角煤体塑性区的扩大,即采取“控”的方式,两者相结合即可实现围岩及支护结构稳定。针对厚顶煤的“倒梯形”塑性区问题,提出了深部构造应力作用下厚顶煤巷道“高强高预紧力锚杆支护、顶煤斜拉锚索梁支护与肩角煤体加强支护”围岩控制技术,其作用机制为:有效减小顶煤弯曲下沉,阻止厚顶煤形成“倒梯形”塑性区,显著提高厚顶煤巷道的稳定性。 (6)依据深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩稳定控制原理,针对新巨龙矿厚煤层巷道埋深为800m、最大水平应力为30~40MPa的生产地质条件,在北区胶带运输大巷、1301N综放工作面回采巷道进行了工业性试验。现场应用表明,深部构造作用下沿煤层顶板掘进巷道“高强高预紧力锚杆支护、控让耦合支护”围岩控制技术、深部构造作用下厚顶煤巷道“高强高预紧力锚杆支护、顶煤斜拉锚索梁支护与肩角煤体加强支护”围岩控制技术,有效控制了围岩变形,实现了围岩及支护结构稳定。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TD353

【引证文献】
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6 岳拥军;王丽;;大埋深高应力条件下煤层巷道注浆加固技术[J];煤炭技术;2010年09期
7 卢益民;对有煤与瓦斯突出危险煤层巷道布置的一些看法[J];煤炭工程;1980年04期
8 黄懋同;济宁二号矿井全煤层巷道快速施工研究[J];建井技术;1992年Z1期
9 查文华;谢广祥;罗勇;;急倾斜煤层锚网索巷道围岩活动规律研究[J];采矿与安全工程学报;2006年01期
10 冯学武,张忠温,曹荣平,张卫东;深部煤巷刚柔二次耦合支护围岩控制技术[J];矿山压力与顶板管理;2001年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 夏志光;;沙漠地区浅埋煤层巷道施工组织设计[A];西部矿山建设工程理论与实践[C];2009年
2 谢玉福;;层状裂隙煤层巷道顶板失稳分析[A];西部矿山建设工程理论与实践[C];2009年
3 张永进;;孔庄煤矿“三软”煤层巷道锚杆支护技术研究与应用[A];创新推动新型煤炭工业体系建设和安全健康发展——2010年湘赣皖闽苏等多省(市)煤炭学会学术交流暨湖南省煤炭科技论坛论文集[C];2010年
4 张永进;;孔庄煤矿“三软”煤层巷道锚杆支护技术研究与应用[A];第五届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C];2010年
5 张永进;;孔庄煤矿“三软”煤层巷道锚杆支护技术研究与应用[A];煤炭科学与技术研究论文集[C];2010年
6 张洪鹏;马永亮;曹忠;刘业献;刘有健;;复合软岩顶板煤巷快速施工技术研究[A];全国矿山建设学术会议论文选集(下册)[C];2004年
7 杨文华;;竹锚杆与钢丝绳网联合支护煤层巷道的实践[A];中国煤炭学会煤矿安全专业委员会2009年学术研讨会论文集[C];2009年
8 毛巨省;;回采巷道围岩稳定性有限元分析和支护方案设计[A];西部矿山建设工程理论与实践[C];2009年
9 牛福龙;;大同矿区侏罗纪下部煤层巷道锚杆与锚索变形能力匹配的研究与应用[A];中国软岩工程与深部灾害控制研究进展——第四届深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学(北京)百年校庆学术会议论文集[C];2009年
10 王建文;;柠条塔煤矿注浆加固方案优化设计[A];西部矿山建设工程理论与实践[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 徐瑞;曹庄矿科技破解生产“瓶颈”[N];经理日报;2009年
2 本报记者;严打非法违法生产 严防类似事故再发[N];中国煤炭报;2011年
3 赵和平 曹永龙;重庆严细督查煤矿“一通三防”[N];中国煤炭报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 徐学锋;煤层巷道底板冲击机理及其控制研究[D];中国矿业大学;2011年
2 李树清;深部煤巷围岩控制内、外承载结构耦合稳定原理的研究[D];中南大学;2008年
3 殷东平;特大断面碎裂厚煤层巷道围岩控制机理及支护系统研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
4 肖同强;深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩稳定与控制研究[D];中国矿业大学;2011年
5 蔡光顺;中兴矿极近距离煤层开采巷道布置及支护技术研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
6 姚强岭;富水巷道顶板强度弱化机理及其控制研究[D];中国矿业大学;2011年
7 周志利;厚煤层大断面巷道围岩稳定与掘锚一体化研究[D];中国矿业大学(北京);2011年
8 雷成祥;深井巷道掘进次生应力影响效应及加固对策研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
9 苏学贵;特厚复合顶板巷道支护结构与围岩稳定的耦合控制研究[D];太原理工大学;2013年
10 范文生;高应力软岩条件下的错层位巷道布置系统研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 江汪龙;小窑影响煤层巷道掘进与支护技术及参数优化[D];北方工业大学;2013年
2 武鹏飞;构造破碎带中煤层巷道支护技术研究[D];太原理工大学;2010年
3 李俊亮;声发射预测煤与瓦斯突出危险性技术研究[D];西安科技大学;2009年
4 张向农;刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究[D];安徽理工大学;2006年
5 王林;深部厚层复合顶板煤层巷道围岩稳定性分析及控制技术研究[D];湖南科技大学;2011年
6 袁宏彬;复合顶板煤层巷道锚网索支护技术研究[D];西安科技大学;2013年
7 李鑫;巷道煤柱自燃温度分布数值模拟[D];辽宁工程技术大学;2009年
8 宋秀群;高应力大断面破碎煤巷支护技术研究[D];山东科技大学;2010年
9 任岩;双工作面采动影响下煤层巷道锚杆支护技术研究[D];太原理工大学;2013年
10 王宏科;锚杆(索)拉拔荷载传递规律及巷道支护参数优化设计研究[D];西安科技大学;2012年
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