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沉积异常区巷道锚注一体关键技术及实践

日期:2024年04月30日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:85
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202404241028526109 论文字数:46555 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本文围绕沉积异常区巷道围岩控制技术难题,基于实验室力学试验、理论分析、数值模拟和工业性试验等研究方法,揭示了沉积异常区变形破坏特征和巷道变形破坏的模式,研究并应用了沉积异常区巷道柔性锚杆跨界锚固控制原理和柔性锚杆锚注一体及全长锚固技术,开展了锚注一体化支护方案数值模拟分析,确定巷道具体支护方案并进行工业性试验。

1绪论

1.1研究背景及意义

在目前,我国煤矿正处于浅部资源枯竭,露天采矿占比不足三成,煤炭开采逐渐向深部转移的时期,作为深部采矿的开采强度大、地温高和巷道围岩应力逐渐加大等问题占据主流,而对于沉积异常区煤层围岩赋存情况不稳定,地质构造更复杂多变的情况,以上问题的发生则更为普遍,对煤矿安全生产造成极大威胁,治理沉积异常区巷道问题刻不容缓[1-7]。

对于我国大量深埋、强地应力的矿井来说,在工作面回采过程中,上覆岩层的垮落造成工作面围岩应力调整,沉积异常区巷道围岩积聚了大量的应变能,产生应力集中,矿压显现强烈[8]。工作面回采巷道中,一般采用常规短锚杆与长锚索联合支护,两条回采巷道掘进期间揭露断层、煤层分岔以及煤层沉积异常等地质构造,地质构造异常导致该部分区域巷道应力集中,煤岩体裂隙发育,岩性破碎,易冒落,甚至诱导冲击地压事故发生。在工作面运输巷侧存在煤层沉积异常变薄区的情况下,掘进期间该段巷道顶板应力急速上升,应力监测计超过测量上限,顶板极有可能发生破碎冒落。在这种情况下工作面回采巷道沉积异常区地应力较高,加之地质构造扰动,围岩对于应力扰动更为敏感,但支护以常规锚网喷支护为主,锚固圈层的强度和厚度难以满足围岩稳定性要求,现有支护方案难以对沉积异常区巷道围岩提供有效的应力补偿,从而抑制裂隙的发育和岩体的碎胀扩容,导致该类条件下巷道围岩裂隙和离层的发育深度很容易突破锚固层厚度[8],使锚固体发生整体下沉甚至冒顶垮落,因此为满足矿井安全生产,需对沉积异常区巷道支护方式及锚固形式进行合理改进并修复,确保巷道围岩稳定性。

1.2国内外研究现状

1.2.1巷道围岩变形破坏机理研究现状

原岩应力场会在巷道掘进过程中不断受扰动发生改变[14-18],巷道围岩中产生塑性区。随着塑性区的不断发展,围岩不断产生塑性变形直至破坏。无疑,从巷道围岩变形破坏机理开始研究,才是从根本上研究采动巷道或构造巷道的围岩控制理论。因此,美国、德国和中国等国家[19-25]的岩土力学和采矿工程专家从20世纪50年代起开始逐渐重视围岩变形破坏机理的基础理论研究。

1)巷道围岩变形破坏的基础理论

巷道围岩变形破坏机理作为岩土力学中发展时间较早的研究方向,在近70年的发展过程中产生了大量经典理论。19世纪末Kirsch[26]在研究中得出了在弹性平板中圆孔周围的二维应力分布解方程,经过Jaeger和Cook[27]等人的应用和发展,最终由Fenner和Kastner总结出Kastner方程,并形成圆形塑性区理论[28,29]。M.M,Protodyakonov在1907年建立了矿山压力基本理论,提出了相应的计算公式和岩石的坚固性分级,其中包括自然拱冒落理论[30-33],理论认为巷道顶板岩石随着巷道向前推进发生破碎并垮塌形成拱形结构,而后岩石中的应力逐渐稳定,巷道顶板的冒落随即停止,这种理论为后来一系列如组合拱等理论提供了研究基础。20世纪末,董方庭等人[34,35]提出了围岩松动圈理论,其认为在巷道掘进过程中,在地应力和掘进扰动的叠加作用下围岩会产生环形松动范围,后来的学者利用松动圈的范围来推测围岩变形范围,并以此为依据对巷道支护进行设计,且后来大量学者在工程实践的验证中确定了松动圈理论的实际作用不亚于现场工程勘测,而后董方庭、魏福生[36,37]等人又根据深井巷道的变形特点推论出深井巷道围岩变形的粘弹性解,成功将矿压理论和现场工程实际经验串联在一起。陈炎光[38]等人经过大量现场工程实践,分别分析了不同围岩性质和不同构造条件下的巷道开挖前后的应力状态和覆岩运移规律等,并根据不同岩性和不同地质条件,对巷道围岩压力的影响因素进行分类归纳总结,从而得出研究巷道矿压显现规律的方法并在实际应用中验证不同岩性地质情况下的矿压显现规律。根据工程实践矿压现象进行针对性的支护设计,并在这个过程中总结出针对不同情况下的支护方法和突发情况处理措施。钱鸣高、缪协兴[39,40]根据采矿业随时代发展的要求,将采动状态下的岩石力学从传统岩土力学研究中分离,形成采动岩体力学的力学应用学科,该学科侧重于研究采动岩体的材料本构理论、灰色结构、岩体变形一破裂一结构运动全过程和采动应力场。顾士亮[41]将巷道围岩压力的稳定性分为静压和动压两种方面研究,并分析在这两种状态下巷道围岩的稳定性变化规律,着重对动压作用下的巷道围岩控制原理进行研究,阐明了软岩条件下的围岩流变发展规律和动压变形机理;顾世亮[41]针对深井巷道则提出了巷道围岩控制的“内、外结构”稳定性原理、软岩动压巷道围岩变形机理和深井软岩围岩稳定控制技术。

2沉积异常区巷道变形破坏特征

2.1沉积异常区巷道变形破坏模式

巷道围岩基础条件分析是设计支护方案参数的必要前提工作,通过对巷道基本地质条件和采掘环境进行分析,基本工程地质条件包括巷道断面、平面位置、埋深、煤层赋存、巷道顶底板岩性及地质构造等,采掘环境包括巷道掘进期间是否有采动影响、是否为实体巷道、与周边工作面或巷道的空间关系等,最终对形成巷道围岩破坏的定性分类并结合现有支护分析破坏原因。

2.1.1工程概况

根据现场调研结果,综合考量相关地质资料,对试验巷道的工程地质条件以及采掘环境进行如下描述。

1)巷道平面位置及采掘环境

本文基于试验矿井工作面运输巷展开研究。

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试验运输巷及联络巷位于+665m水平,联络巷全长64.58m,试验运输巷(7303运输顺巷)全长1532.578m,辅运巷1186m。巷道埋深1000m左右。巷道为实体巷道,巷道形状为梯形,净高4000mm,上净宽4800mm,下净宽5200mm。

7303综放工作面东临一采区与七采区边界,距一采区1304工作面120m左右;南距设计的7305工作面140~145m;西距七采区回风巷距离220m,距二集辅助巷下段174.8m;北邻7301工作面,沿空煤柱4.5m。

2.2围岩岩性影响下巷道变形破坏特征

针对研究目标矿井沉积异常区巷道围岩变形严重的问题,在进行了技术特征分析及支护效果评价的基础上,利用FLAC3D数值模拟软件开展围岩岩性、岩层厚度以及围岩结构等因素对巷道变形破坏的影响研究,揭示了沉积异常区巷道变形破坏特征,为沉积异常区巷道跨界跨界锚固控制原理提供了理论支撑。本章研究巷道在开挖原始条件下的变形破坏特征,以便于为巷道支护提供先决条件,围岩岩性是影响巷道整体稳定性的最基本参数,直接关系到巷道的变形特征与破坏形式。本节结合研究目标矿井实际工程地质条件,在巷道净高为4.0m的条件下,分别模拟了煤层厚度为2.5m、4.0m、5.5m三种不同工况下巷道表面位移与应力分布情况,并基于数值模拟结果,分析讨论了半煤岩巷道、全煤巷道、托顶煤巷道三种不同围岩岩性巷道的变形破坏规律,探究围岩岩性对巷道变形破坏特征的影响。

视煤层厚度不同,模型尺寸为:长80m,宽40m,高54~56m,巷道断面为等腰梯形,净高4.0m,上净宽4.8m,下净宽5.2m,均沿煤层底板布置。模型本构模型选用摩尔库伦本构模型,模型下方边界及左右边界设置为初始位移为零的位移边界,上边界设置为应力边界,施加垂直应力21.5MPa,建立地层模型如图2-4所示,煤层及相关地层力学参数见表2-3。

工程硕士论文怎么写

3 沉积异常区关键技术及材料性能研究 ........................ 28

3.1 巷道围岩跨界锚固技术.......................... 28

3.2 锚注一体化技术 ............................ 33 

4 沉积异常区巷道围岩控制方案模拟分析 ............................. 45

4.1 锚杆长度影响下的围岩变形破坏特征 ......................... 45

4.2 锚杆密度影响下的围岩变形破坏特征 ........................... 55

5 工程实践和矿压监测分析 .................... 60

5.1 巷道支护方案的确定 .................... 60

5.2 工业性实验 ............................... 64

5工程实践和矿压监测分析

5.1修复巷道支护方案的确定

基于理论计算公式及巷道深度与锚固长度的关系,结合数值模拟计算,研究目标工作面沉积异常区巷道修复临界锚固厚度为3.5m,所用柔性锚杆长度选取为4.0m,结合卸压及锚注一体化技术共同控制巷道围岩变形,控制原理如图5-1所示。

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具体修复加固方案如下。支护材料如下:

①柔性锚杆:顶板及帮部均采用Φ21.8×4000mm的柔性锚杆,延伸率大于5%。

②托盘:柔性锚杆采用300m×300mm×10mm拱形钢托盘,如安装锚注一体化装置则托盘孔径应相应扩大至42mm。

③钢带:顶板采用T型钢带支护,钢带长度为4000mm,宽为140mm,厚为10mm,孔间距1000mm;帮部钢带采用2000mm长的T型钢带,眼距1600mm。

④树脂锚固剂:使用CKb2850型树脂锚固剂。

6结论

6.1主要结论

本文围绕沉积异常区巷道围岩控制技术难题,基于实验室力学试验、理论分析、数值模拟和工业性试验等研究方法,揭示了沉积异常区变形破坏特征和巷道变形破坏的模式,研究并应用了沉积异常区巷道柔性锚杆跨界锚固控制原理和