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伏岩煤业松软煤层回采巷道围岩变形机理及控制技术探讨

日期:2024年05月07日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:79
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202405041544115757 论文字数:43666 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文针对伏岩煤业3109运输巷在相邻工作面回采阶段的变形破坏问题,开展松软煤层回采巷道围岩变形机理及相应的围岩控制技术研究,采用现场调研、实验室试验、理论分析以及数值模拟研究等方法,对松软煤层巷道的围岩变形特征以及加固技术进行研究。

1 绪论

1.1 研究背景及意义

随着全球局势的紧张发展以及疫情形式成为过去式,能源需求量不断增加,我国作为全球能源消费和生产大国,能源局势的变化时刻影响着我国的方方面面,是我国实现可持续发展的基础 [1]。煤炭作为能源的压仓石,在能源发展中起到了关键性作用,2022年我国全年能源消费总量为54.1亿吨标准煤,比上年增长了2.9%,其中煤炭消费占比56.2%,煤炭消费量比上年增长了4.3%,从近年的煤炭消费占比来看,我国煤炭消费占比虽然逐年降低,但是煤炭消费总量仍然逐年增大。由此可见,短期内煤炭在我国能源消耗中的比重不会改变,煤炭资源仍然是我国最主要的消费能源,并且在未来的一段时间内仍将作为主体能源继续被消费[2-5]。

我国煤矿开采以地下开采为主,每年需要在井下掘进大量巷道,据不完全统计,我国煤矿每年新掘巷道总长度约为12000km,其中回采巷道占比80%以上[6]。对于回采巷道来说,其维护难易程度受到诸多因素影响,尤其是当其围岩较为破碎且松软时,在其经历掘进和采动扰动后,若原支护系统强度低,则巷道会发生严重的变形失稳破坏,会导致在后期的返修过程中耗费大量的时间与成本,还严重制约着工作面的可持续开采,对煤矿的安全生产以及经济效益造成重大影响。因此掌握巷道围岩的应力状态及其变形失稳特征,了解其变形失稳因素,提出合理控制技术方案,是保证煤矿安全高效开采的前提[7-11]。

随着矿井巷道围岩控制技术的不断发展,传统的支护方式逐渐被新型支护方式所取代。目前大部分矿井的巷道首先采取的是锚网索支护,其相对而言成本低、效果好、且易施工。但是也不能一概而论,对于具体巷道应该具体分析其变形特征,针对相应问题提出合适的方案,不然将会因为采取不合理的控制技术导致巷道变形失稳。特别是当巷道围岩较为松软破碎时,在采动影响下极易发生变形破坏,若围岩控制技术采取不合适,将会对矿井的安全生产造成极大地影响[12]。 

1.2 国内外研究现状

1.2.1 巷道围岩控制技术研究现状

随着煤矿开采条件逐渐复杂多变,巷道围岩变形失稳形式也呈现出多样性,造就了巷道围岩控制技术蓬勃发展[13-15]。巷道支护方式从传统常规的被动支护逐渐向主动支护转变,并且新型的支护方式也得到了快速的发展。目前新型的支护方式主要有卸压技术、锚杆(索)支护、注浆加固支护、联合支护等[17]。

(1)围岩卸压技术

巷道围岩卸压技术是用于减轻围岩应力的一种支护方法。在国内外,许多学者和工程技术人员都对这项技术进行了深入的研究和实践。目前,巷道围岩卸压技术已经在各类巷道工程中得到广泛应用,成为了一种行之有效的围岩支护技术。目前我国采用的巷道围岩卸压技术主要包括巷道围岩近场卸压法、巷道远场卸压法以及巷道布置法,在近几年,水力压裂技术被广泛的应用[19-21]。

(2)锚杆(索)支护技术

锚杆(索)支护技术作为目前我国煤矿在围岩控制方面主要应用的主动支护技术[22-32],在1956年开始在巷道中被试验应用。经过60多年的发展,其攻克种种难关,不断地扩展与创新,种类不断被拓展,如今已经形成了一个完整的支护体系。其工作原理主要是锚杆(索)在锚固剂或锚固装置作用下与围岩相互作用形成一个具有更大承载能力的锚固体,使得巷道围岩完整性与强度提高,更好的加固围岩。

随着支护技术与锚固方式的不断创新[33-36],锚杆(索)支护也由原来的单独支护发展为联合支护。例如当围岩较为破碎时,锚杆(索)与围岩将很难形成较为有效的锚固体,锚固力会受到很大的影响,单独的锚杆支护将无法满足实际需求。因此基于此,专家学者将单独的锚杆(索)支护发展为锚注支护,起到锚固与注浆两重作用。目前松软煤层巷道围岩控制大多以锚注支护为主体,锚注支护方式充分发挥了锚杆(索)的支护作用[37-38]。

2 工作面概况及围岩力学特征分析

2.1 矿井工程概况

2.1.1 3109综采工作面概况

3109综采工作面位于二采区,煤层为3#煤层,煤均厚4.81m,埋深425m,煤层倾角为4°,煤层坚固系数为1.09-1.2,内含有0-2层夹矸,煤层结构复杂,工作面特征见表2-1。

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通过对3109综采工作面现场调研情况进行总结分析可知,3#煤层内部节理裂隙发育程度较为明显,并且3#煤的普氏系数为1.09~1.2,硬度明显较低,表现出软岩特性。

2.2 煤岩物理力学性质测试分析

2.2.1 现场取样

为了了解伏岩煤矿3109运输巷顶底板及两帮的物理力学性质,为后期的理论分析和数值模拟研究提供参考依据,在3109运输巷顶底板以及两帮进行取样,取样过程中要及时对所取煤岩样进行密封包裹,避免试件的破坏和氧化。取样后按照中华人民共和国国家标准《煤和岩石物理力学性质测定方法》,将所取煤岩样进行加工,加工成标准的煤、泥岩和砂质泥岩试样。

2.2.2 煤岩样力学测试及分析

(1)单轴抗压强度实验

单抽抗压强度实验采用Ф50×100mm标准圆柱体试件,实验开始之前,对试件进行命名编号,并进行尺寸测量,为后期计算提供依据,在实验时,将试件放置在实验仪器上,并在仪器上调好测试参数,最后以0.1mm/min的加载速率对试件加载;当试件发生破坏时,立即停止实验,记录并保存数据。

(2)单轴抗拉强度实验

单抽抗拉强度实验采用Ф50×25mm标准圆柱体试件,在进行实验之前,对试件进行命名编号,并进行尺寸测量,为后期计算提供依据,在实验时,将试件放置在实验仪器上,并在仪器上调好测试参数,然后以0.1mm/min的加载速率对试件加载;当试件发生破坏时,立即停止实验,记录并保存数据。

3 松软煤层巷道围岩变形破坏特征及稳定性分析 .............................. 22

3.1 松软煤层巷道围岩变形分析 ............................... 22

3.2 松软煤层巷道围岩变形破坏机理分析 ........................ 24 

4 松软煤层巷道围岩稳定性控制技术分析 ........................ 41

4.1 松软破碎围岩注浆加固机理 .............................. 41

4.2 3109运输巷注浆加固力学分析 .................. 41

5 3109运输巷工业性试验 ...................... 53

5.1 现场工业性试验段布置.......................... 53

5.2 现场工业性试验效果分析 ........................... 53

5 3109运输巷工业性试验

5.1 现场工业性试验段布置

本次现场工业性试验是在3109运输巷中选取一段进行试验,试验段施工长度为200m,断面形状为矩形,断面宽度×高度=5×3.2m,埋深约为425m,在试验段的煤柱侧帮部进行注浆,通过控制两帮来达到控制顶底板稳定的目的。具体位置如图5-1所示 :

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6 结论

本文针对伏岩煤业3109运输巷在相邻工作面回采阶段的变形破坏问题,开展松软煤层回采巷道围岩变形机理及相应的围岩控制技术研究,采用现场调研、实验室试验、理论分析以及数值模拟研究等方法,对松软煤层巷道的围岩变形特征以及加固技术进行研究,主要得出以下结论:

(1)由3109运输巷煤岩物理力学参数测试可知:两帮煤体的抗压强度较小,承载能力较弱,在采掘活动影响作用下,煤体两帮易发生帮鼓,巷道底板煤和泥岩抗拉强度较小,在水平应力作用下,易发生底板鼓起现象。由围岩裂隙发育探测结果分析可知,煤柱侧帮部内部微小裂隙发育程度较高,裂隙数量多,宽度大。

(2)基于松软煤层巷道围岩变形破坏机理,构建了3109运输巷围岩力学结构模型,通过围岩塑性区半径公式计算得出塑性区半径为5.23m。研究表明巷道在围岩应力与巷道尺寸一定条件下,塑性区半径主要受围岩强度和支护阻力的影响,但受岩体自身强度的影响更大,对于松软煤层来说,提高两帮煤体的粘聚力和内摩擦角即提高岩体自身强度可以更加有效的控制巷道的围岩稳定。

(3)基于掘进与回采阶段巷道受力分析,通过FLAC3D数值模拟软件构建3109运输巷原支护模型,分析了3109运输巷在掘进期间和相邻工作面回采期间应力、位移以及塑性区特征。3109运输巷在掘进期间,围岩变形破坏较小,两帮移近量为794mm,顶底板位移量为639mm,两帮塑性区深度均为3m。在相邻工作面回采期间,顶底板的位移量为1427mm,两帮位移量为1424mm,煤柱侧的塑性区深度为5m,底板塑性区深度为3.3m。结果表明在相邻工作面回采阶段,3109运输巷围岩的变形破坏程度、应力分布状态以及塑性区发育程度都发生了急剧变化,巷道围岩严重失稳,原支护已经无法维持巷道的稳定。

(4)基于松软煤层回采巷道变形破坏机理与变形破坏特征,提出采用注浆加固技术来控制松软煤层巷道围岩变形。基于注浆加固作用,提出松软煤层注浆加固承载机理,构建松软煤层巷道力学模型,经过分析可得,注浆后巷道两帮破碎区减少,巷道等效宽度相应减少,巷道两帮变形量及底鼓量也随之减小。因此可以通过将破碎区注浆减少巷道的等效宽度以及增加承载宽度来实现巷道的稳定。

参考文献(略)