【摘 要】
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煤炭是我国能源消费的主要燃料。目前,由于煤炭开采强度和深度的增加,浅部煤炭资源日益减少。深部开采已成为我国未来煤炭资源开采的必然趋势。然而,深部煤岩体的组织结构,行为特征和工程响应与浅部煤岩体相比,其所处的深部“三高一扰动”的复杂力学环境,使深部煤岩体力学性能发生了根本性变化。因此,深部巷道围岩控制成为国内外采矿工程界公认的技术难题。围岩应力是偏应力和球应力的叠加。偏应力控制岩体单元的形状变形,球
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煤炭是我国能源消费的主要燃料。目前,由于煤炭开采强度和深度的增加,浅部煤炭资源日益减少。深部开采已成为我国未来煤炭资源开采的必然趋势。然而,深部煤岩体的组织结构,行为特征和工程响应与浅部煤岩体相比,其所处的深部“三高一扰动”的复杂力学环境,使深部煤岩体力学性能发生了根本性变化。因此,深部巷道围岩控制成为国内外采矿工程界公认的技术难题。围岩应力是偏应力和球应力的叠加。偏应力控制岩体单元的形状变形,球应力控制着岩体单元的体积变形。偏应力造成了煤岩体的塑性破坏和变形,而球应力则使煤岩体发生可恢复的弹性变形。其中,偏应力综合考虑了最大主应力、中间主应力和最小主应力的相互作用,反映出煤岩体在组合应力下的应力状态,能够更好的揭示煤岩体变形破坏的本质。鉴于此,本文以赵庄煤矿33092巷为工程研究背景,采用现场实测、理论分析、数值模拟等多种研究手段,对处于三向应力状态下的深部巷道围岩应力场和破坏规律进行深入研究,探究深部巷道围岩偏应力场和塑性区的时空演化规律。具体工作如下:(1)通过现场调研,获得了巷道围岩破坏的具体情况,表现为顶板下沉、煤壁片帮、底板底鼓、锚索破断等非对称破坏。基于松动圈测定和钻孔窥视结果,得出赵庄煤矿33092巷松动圈属中型松动圈,巷道顶板0-6.5 m范围内顶板破碎严重,煤帮的破碎范围在0.5-2 m。(2)通过弹塑性相关理论,得出了巷道围岩煤岩体单元的偏应力推导公式,并通过控制单变量影响因素,分析了不同条件下巷道埋深、侧压系数、应力洛德角对巷道围岩偏应力场分布规律的影响;通过最大剪应力强度准则求解得出了巷道围岩塑性区的边界方程,并分析了巷道埋深、侧压系数、内摩擦角、黏聚力、围岩应力场方向对巷道围岩塑性区破坏特征的影响。(3)运用FLAC3D软件建立了三维数值模型,通过模拟33092巷道掘进期间、3309工作面回采期间和3310工作面回采期间,获得了33092巷道全生命周期的偏应力场和塑性区的时空演化规律。研究表明:33092巷道掘进期间和未受工作面采动影响时,偏应力和塑性区均呈现对称的蝶形分布;当受到3309工作面初次采动影响时,巷道围岩偏应力场和塑性区发生偏转,表现出非对称式分布的破坏特征,并且受到3310工作面的二次采动影响时,巷道围岩偏应力场和塑性区向深部发展的趋势。(4)根据数值模拟,理论研究,提出了33092巷道非对称支护改进方案,并通过数值模拟分析其改进支护方案和原支护方案的巷道围岩支护应力场,得出了其改进后的支护方案具有明显的优势。最终,该方案在赵庄煤矿进行了工业试验,现场监测结果表明:非对称式的支护改进方案有效的控制了巷道围岩的变形,满足巷道在服务期间的安全高效的使用。
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