倾斜煤层巷道围岩稳定性及非对称支护研究

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煤巷掘进量占生产矿井掘进总量的80%-90%,煤巷掘进在煤炭生产中占据着极为重要的地位。为了保证巷道稳定性,通常沿煤层顶板掘进,很多生产单位工程类比水平煤层矩形巷道支护方式作为倾斜煤层巷道支护方式,造成高帮变形较大,严重时会出现片帮现象。为了分析巷道变形原因,本文采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法深入研究了不同工况下倾斜煤层巷道应力及变形规律,并在此基础上提出了相应的支护方式,经过数值模拟对比分析,该支护方案可以满足巷道的稳定性,将这种支护方式运用到工程实际中,取得了较好的效果。在本文研究内得到了以下主要结论:  (1)针对倾斜煤层沿顶掘进巷道,采用弹塑性力学理论,提出了一种将梯形巷道断面等效为圆形断面巷道,分别计算巷道低帮塑性区和高帮塑性区的方法,计算结果表明随着煤层倾角的增大,高帮塑性区范围逐渐增大,低帮塑性区范围不变,埋深增加时,两帮塑性区范围都相应增大,高帮塑性区大于低帮塑性区。揭示了倾斜煤层巷道围岩非对称破坏机理。  (2)基于埋深800m不同煤层倾角巷道开挖数值模拟,煤层倾角增加时,巷道两帮垂直应力峰值都相应增大,高帮应力峰值位置和最大塑性区范围不断增加,低帮应力峰值位置和最大塑性区范围基本不变。高帮围岩水平位移大于低帮围岩水平位移。煤层倾角的增大,对巷道顶底板影响较小。  (3)通过模拟煤层倾角30°不同埋深巷道开挖,巷道埋深增加时,巷道两帮和顶底板塑性区越来越大,高帮应力峰值位置、塑性区范围始终大于低帮应力峰值位置、塑性区范围。当巷道埋深达到1000m时,低帮上部、高帮下部、靠近高帮底板变形比较大大,非对称变形破坏比较明显。  (4)随着侧压力系数的增大,巷道顶底板和两帮变形逐渐增大,高帮围岩水平位移大于低帮围岩水平位移,高帮松动范围大于低帮松动范围;当侧压力系数达到1.5时,底板破坏程度远大于顶板的破坏程度,侧压力系数较大时应注意加强底板的支护。  (5)根据倾斜煤层巷道围岩变形破坏规律,设计了两帮非对称支护方案,即高帮进行锚索局部加强的锚网索支护方案。针对这种支护方案与原有支护方案数值模拟对比分析,结果表明该方案能够有效地控制倾斜煤层巷道高帮变形,提高巷道的稳定性,把该方案运用到陈蛮庄煤矿3206轨道顺槽,取得了较好的技术经济效益。
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