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《中国矿业大学》 2013年
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大断面托顶煤巷道灾变机制与控制技术研究

李磊  
【摘要】:随着巷道断面的增大,托顶煤巷道支护难度逐渐增大,尤其在弱面的影响下,支护问题更为突出,采用现有的支护理论与技术,难以满足大断面托顶煤巷道支护要求。本文综合运用理论分析、数值计算、现场试验等方法,对大断面托顶煤巷道围岩灾变机制与控制技术进行了系统研究,主要研究成果为: (1)采用复变函数理论,给出矩形巷道围岩应力的解析解,分别研究得到低围压和高围压下不同宽高比、埋深以及侧压系数对矩形巷道围岩应力分布的影响规律。 (2)采用数值计算的方法,分析了巷道宽度对弱面应力分布、位移分布以及围岩变形与破坏的影响规律,并对大断面巷道和小断面巷道的顶板变形破坏特征进行对比分析,揭示了大断面托顶煤巷道的灾变机制:随着巷道宽度的增大,围岩沿弱面的水平位移也在不断增大,弱面附近的围岩剪切破坏更加严重,容易发生离层,顶板下沉量不断增大且下沉速度也在增加,顶板浅部围岩的破坏方式由剪切破坏或拉剪混合破坏向以拉破坏为主过渡,拉破坏宽度和范围持续增加,其稳定性急剧下降,当顶板离层和变形而形成的张拉应力大于托顶煤巷道顶板抗拉强度时,托顶煤巷道发生离层、冒顶等灾变现象。 (3)建立托顶煤巷道顶板两端弹性嵌简支承梁力学模型,通过对极限平衡区内煤帮与顶板接触面的应力分析,综合考虑围岩的损伤,给出弹性嵌简支端的位置和极限平衡区内接触面正应力分布式,基于托顶煤巷道大断面的判别依据,通过对托顶煤巷道大断面宽度的力学解析,给出托顶煤巷道顶板稳定与巷道宽度等因素的关系式,以王庄煤矿7105工作面运输巷为例,求出该条件下托顶煤巷道大断面宽度为4.7m,研究认为当巷道的宽度大于等于4.7m时,托顶煤巷道顶板中部拉破坏深度超过锚固区的厚度,巷道维护困难,7105工作面运输巷宽度大于4.7m时称为大断面巷道。 (4)提出大断面托顶煤巷道顶板的“三区”分布,分别为弱面剪切位移峰值区、弱面离层区和拉破坏极不稳定区,为围岩控制的关键部位,针对“三区”的变形破坏特征,开发了弱面剪切位移峰值区斜拉锚索支护、拉破坏极不稳定区小间距高预应力锚杆支护以及弱面离层区层次锚杆支护的顶板“三区”关键部位加强支护技术。 依据大断面托顶煤巷道围岩技术,针对王庄煤矿大断面托顶煤巷道埋深为400m、巷道宽度为5.5m的生产地质条件,在王庄煤矿7105工作面运输巷进行了工业性试验,现场应用表明,“顶板三区关键部位加强支护、层次锚杆支护”的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】:2013
【分类号】:TD353;TD322.4

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【参考文献】
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