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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。


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