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煤炭是保证我国经济发展的主要能源之一,随着煤炭资源的减少及开采技术水平的不断提高,煤炭开采已逐渐向深部拓展。在进入深部开采后,所处的开采环境开始恶化,地质条件更加复杂,影响巷道变形破坏的因素也随之增加,对采煤工艺及技术的要求也会更加苛刻。随着深度的增加很多问题开始暴露出来,如巷道开始出现应力水平提高、流变变形、围岩变形破坏出现不均衡和非对称性、围岩破碎等现象,使得深部矿井巷道的维护变得更加困难。很多巷道处于围岩构造破碎带,这些围岩本身强度低,在高应力的作用下随着时间的推移,会呈现出非线性大变形和显著的流变变形等特点。巷道及采掘工作面在掘进过程中会逐渐出现压力增大、严重的变形、破坏等现象,导致传统的巷道布置方法及支护方式不能适应巷道围岩变形的要求。这些都对矿井的通风、运输及行人等造成了极大的威胁,影响了煤矿正常的生产活动及安全状况。
目前,对于巷道围岩变形破坏机理的研究,国内外普遍采用弹塑性力学对其进行研究。如国外学者Fenner和H.Kastner就以理想弹塑性模型和岩石破坏后体积不变两个假设为基础条件进行了深入的研究,推导出了著名的Kastner方程来描述巷道围岩的变形破坏机理。国内一些学者如陈宗基、孙均等,也以弹塑性力学为基础,并结合连续介质理论,把岩体看作为均匀、连续、各向同性的材料来研究。
本文围绕大淑村矿东翼巷道变形破坏严重现象,在研究总结前人的研究基础之上,开展了影响本矿巷道变形破坏因素、巷道变形规律、巷道钻孔监测、巷道变形破裂机理研究。在掌握了巷道围岩变形规律的基础之上,同时结合围岩的物理性质及特性研究影响东翼巷道变形破坏的主要影响因素,研究巷道的支护方式提供基础。主要通过钻孔监测巷道围岩,掌握顶板围岩的破坏情况,研究出巷道围岩的变形破坏机理,根据其变形机理提出相应的控制对策,决东翼巷道变形破坏严重,巷道围岩控制困难的难题。在研究的基础之上,将研究成果应用于工程实践当中。本论文以理论分析、现场监测数据、工程实践等为主要的研究手段进行了研究,具体研究的内容如下:
(1)围绕巷道围岩变形破坏机理及巷道支护,搜集与文献查阅了大量的相关文献,掌握了当前国内外在这方面的研究成果,及目前存在的问题,围绕大淑村矿东翼巷道存在的变形破坏情况,确定了论文研究的主要目标、内容与技术路线,为论文构建了一个整体的研究框架;
(2)论文首先研究了影响巷道围岩变形破坏的主要因素,包括围岩的物理性质、围岩所受的应力、工程因素等的影响作用。结合东翼巷道变形破坏的现状,分析围岩的变形破坏规律主要有以下几点:巷道的掘进初期变形速率大;底膨量大;普通支护对控制围岩变形效果不理想。破坏过程主要可以分为以下几个阶段:巷道掘进阶段;无采掘影响阶段;采动影响阶段;采动影响稳定阶段;二次采动影响阶段。在分析变形规律的基础之上进一步对巷道围岩进行钻孔监测,深入了解围岩的变形规律及破坏现状。根据测试结果可知巷道围岩的松动范围在5.0m-6.0m左右,结合巷道围岩变形破坏规律,得出巷道围岩变形破坏主要受以下几个方面的影响:巷道埋深较大、受应力水平高;受周围和采煤工作面影响巷道所受支承压力集中;围岩的支护方式、巷道断面形式及参数不合理;巷道围岩较软弱等因素作用;
(3)基于本矿井的巷道围岩变形破坏冈素及规律,综合分析了巷道周边环境,172102采空区及地质条件,采空区在不同状态下对周边巷道的影响,巷道围岩应力分区变形的特征,结合分区变形特征,巷道的支护原则,研究了巷道初期稳定的力学模型,根据研究结果提出了以下支护对策:无保护性煤柱充分释放岩体的能量;合理布置巷道的位置;预加固技术稳定破碎项板;优化巷道形状及支护参数,包括锚杆加长与托盘加厚,采用底板锚杆、底板注浆、底板反拱等方式提高底板的支护阻力等;加强对巷道的监测及维修工作;
(4)根据前文对巷道围岩性质、围岩变形规律、围岩钻孔测试、围岩强化控制的研究,对东翼巷道进行改造工程实践,主要包括确定东翼巷道的布置方案、断面参数、支护方式等技术参数,同时监测实践过程中巷道的顶板、两帮的移近量及巷道锚杆的受力状态,通过钻孔进窥视巷道围岩的破坏情况确定方案的效果,与原技术方案的效果对比。