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深部骑跨采巷道围岩变形力学分析及稳定性控制研究

朱庆华  
【摘要】: 随着煤矿开采深度的不断增加,巷道围岩的稳定性日趋恶化,对支护技术的要求越来越高,给煤矿高效安全集约化生产带来严重影响。跨采动压巷道围岩的稳定性一直是煤矿安全生产的难题,特别对于深部骑跨采动压巷道围岩需经历煤层工作面开采引起的支撑压力影响长期作用,围岩变形表现出强烈的流变特征,给巷道围岩的稳定性控制带来困难。本文综合运用理论分析、数值模拟和现场观测等方法对深部骑跨采动压巷道围岩稳定性的力学机理及控制方法等进行了系统研究,取得了如下主要研究成果: (1)建立了骑跨采动压巷道围岩流变特征分析的力学模型,应用粘弹塑性理论分析了巷道围岩应力分布特征及对围岩稳定性的影响,得到了巷道围岩应力与变形随巷道埋深H、巷道距上部煤层工作面端头的垂直距离、水平距离的变化规律,给出了巷道的应力及变形随时间变化的估算表达式。 (2)借助于数值模拟方法,分析了骑跨采动压巷道在煤层工作面回采时的稳定性特征,得到了巷道围岩应力、变形及塑性区范围等随巷道埋深、巷道与上部煤层工作面端头垂直距离、水平距离的变化规律。研究表明:当煤层工作面端头距巷道的水平距离较小时,巷道围岩的稳定性需经受工作面前方和工作面端头侧向支撑压力的影响;巷道的顶板与外帮受上方煤层工作面影响最为强烈;巷道顶板及外帮长的时间高应力作用引起的流变效应是给形成巷道围岩稳定性严重隐患的重要原因。 (3)分析了骑跨采动压巷道围岩的流变特性,考察了巷道围岩应力、变形和塑性破坏区的时间相关性特征,得到了巷道与煤层工作面端头的垂直间距、水平间距、巷道埋深等对巷道围岩流变及破坏特征的影响规律,结果表明:围岩的应力随时间呈降低趋势,应力集中区逐渐向围岩深部扩大;围岩变形、塑性区范围随时间有较大幅度增加,并表现为初期增加较快,约60天后围岩变形基本趋于稳定;围岩流变主要由粘塑性蠕变导致。 (4)针对某矿区骑跨采动压巷道的稳定性特点,设计了相应的现场观测研究方案,对巷道的表面位移、围岩内部变形位移、锚杆(索)锚固状态等方面分别进行了长期的监测研究,得到了上方煤层工作面采动及采动后相当长一段时间内巷道的变形破坏规律及流变特征。 (5)利用注浆加固提高围岩的基本力学特性及抗流变性能的特点,结合锚杆(索)支护技术,针对性地提出了骑跨采动压巷道稳定性控制的锚注联合支护方案,设计了适合于试验巷道条件的专用注浆锚杆。经现场实测证实,可有效地控制骑跨采动压巷道流变变形,确保上方工作面回采期间巷道的稳定与安全。 研究成果可为类似条件下巷道围岩稳定性控制提供重要参考。


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