二次沿空留巷围岩稳定性控制机理研究

【摘要】：摘要 应用相似材料模拟、数值模拟、力学分析、突变分岔理论、混沌理论等,系统地研究了二次沿空留巷不同阶段围岩、巷内支护及巷旁支护三者之间的相互作用关系,确定了围岩的破坏、失稳判据,揭示了围岩的变形破坏机理。 通过相似材料模拟和数值模拟,分析了二次沿空留巷不同阶段围岩应力、位移及变形破坏特征；研究了锚杆支护参数变化对二次沿空留巷不同阶段围岩稳定性影响。 工作面端头关键块的稳定直接影响到其下位支护围岩小结构的稳定,保持其稳定有利于减小二次沿空留巷围岩变形和增加充填体的稳定性。基于上覆岩层活动规律,构建了二次沿空留巷不同阶段工作面端头关键块的“S—R”结构力学模型,确定了工作面端头关键块的稳定性判据。在关键块稳定的前提下,对二次沿空留巷不同阶段的充填体受力状况进行了分析,推导出巷旁支护阻力的计算式,合理确定了保持工作面端头关键块稳定所需的充填体宽度。 由于二次沿空留巷为上、下区段的两个工作面服务,巷道服务时间较长,且充填体长期承受采空区侧向支承压力的影响。随着时间的增加,充填体可能会进入流变状态,充填体的流变将会直接影响到二次沿空留巷围岩的稳定性。应用突变分岔理论,研究了充填体的非线性蠕变力学特征,并采用最小二乘法进行模型参数拟合,确定了充填体非线性蠕变的混沌判据,揭示了充填体非线性蠕变破坏机理。 充填体在变形破坏过程中既具有流变特性,也具有损伤特性,前者反映了时间效应,后者反映充填材料内部的各种缺陷的发展。基于Lemaitre应变等价性假说,推导出充填体的损伤本构关系,确定了充填体的损伤失稳判据。 影响充填体稳定性的因素很多,这些因素都具有很大的变异性,且巷道服务时间长,因此要求充填体具有足够的可靠性。应用支护结构可靠性理论,计算出二次沿空留巷不同阶段充填体的可靠性指标。 二次沿空留巷技术成败的关键是充填体能否适应沿空留巷顶板岩层活动规律和有效地控制直接顶。基于能量守恒原理,建立了二次沿空留巷不同阶段直接顶的力学模型,推导出沿空留巷直接顶的稳定性判据。应用位移变分法,分析了沿空留巷直接顶下沉与充填体宽度、煤帮塑性区、煤帮侧向支护阻力、巷道宽度、巷内支护阻力及巷旁支护阻力等因素的关系。 在二次沿空留巷整个过程中,一次沿空留巷煤帮经受巷道掘进及两次工作面超前支承压力的影响,保持其稳定有利于减小直接顶的下沉量和增加关键块的稳定性。基于能量守恒原理,确定了一次沿空留巷煤帮的稳定性判据,并推导出煤帮侧向支护阻力和锚杆间排距的计算式,为煤帮锚杆间排距的确定提供了理论依据。基于Lemaitre应变等价性假说、Drucker-Prager屈服准则和极限平衡理论,预测了一次沿空留巷煤帮的片帮深度,为煤帮锚杆长度的确定提供了理论依据。 二次沿空留巷围岩属于大变形围岩,对初始条件的变化具有很强的敏感性,难以通过传统的直接观测方法来进行判断。采用功率谱分析法研究了二次沿空留巷不同阶段围岩应力的混沌动力学特征,研究认为：充填体宽度较小时围岩应力具有较强的波动性,呈现混沌运动状态。随着充填体宽度增加,功率谱的尖峰增加,不规则运动比例逐渐减少。利用Lyapunov指数法分析了充填体宽度、锚杆预紧力、锚杆支护强度对二次沿空留巷不同阶段围岩混沌性影响,合理确定了二次沿空留巷充填体宽度、锚杆预紧力、锚杆支护强度、锚杆直径等参数。 基于二次沿空留巷上覆岩层活动规律和不同阶段围岩变形破坏特征,将二次沿空留巷围岩控制视为一项极其复杂的系统工程,提出了“充分利用基本顶关键块稳定结构、动态控制、始终保持巷旁充填体稳定、匹配协调、主动加固、弱化扰动、整体围岩强化、全过程控制”的二次沿空留巷围岩控制原则,形成了“沿空留巷支护优化、巷内锚杆强化、充填体强化、自移式主动强力控顶支架辅助加强、巷道围岩结构强化”的支护控制技术。 上述部分研究成果成功地应用于淮南谢一矿512(5)工作面机巷,为高瓦斯难抽采煤层工作面建立“Y”型通风系统而采用二次沿空留巷技术提供了理论基础。