發(fā)布時間：2018-04-19 08:11

  本文選題：煤層巷道 + 開挖卸荷　； 參考：《中國礦業(yè)大學(北京)》2017年博士論文

【摘要】：我國煤炭資源儲量豐富,且分布地域廣,賦存條件復雜多樣。中東部地區(qū)煤礦地質(zhì)條件差,開采深度不斷加深,逐漸趨向1000m及以上;西部地區(qū)煤層埋藏淺,厚度大,開采條件相對簡單,露天開采、大采高綜采與綜放采煤法得到大面積推廣應用;然而,在我國井工煤礦占據(jù)絕大多數(shù),露天煤礦大約只有2%。為開發(fā)利用深埋地下的煤炭資源,礦井每年需開掘幾萬米巷硐,這其中絕大多數(shù)為煤層巷道。在應用綜放開采技術(shù)時,會存在大量留頂煤巷道,在特厚煤層開采與急傾斜厚煤層水平分層開采時,甚至出現(xiàn)全煤巷道;為克服拱形巷道的缺點,提高生產(chǎn)效率,回采巷道斷面多為矩形;由于開采強度與產(chǎn)量的大幅提高,所需設備不斷大型化,隨之巷道斷面尺寸逐漸增大;巷道維護成為制約煤礦安全高效開采的難題。因此,控制煤巷圍巖的穩(wěn)定一直是本行業(yè)領域研究的熱點,但過往研究主要以巷道頂?shù)装鍨槌霭l(fā)點,煤巷幫部一般不作為研究重點。然而,煤巷是由頂板、兩幫及底板所共同構(gòu)成的整體,一旦幫部發(fā)生變形破壞依然會使整個巷道失穩(wěn),尤其當煤巷斷面較大時,巷幫破壞問題將明顯加劇;同時,巷道開挖可視為一個圍巖卸荷的過程。因此,選取典型工程背景,基于卸荷觀點并運用多手段來探究大斷面煤巷幫部破壞問題,具有重要的理論與實際應用價值。本文以紅慶河煤礦大斷面煤層巷道掘進期間幫部煤體破碎片落嚴重等實際工程問題為背景,采取現(xiàn)場調(diào)研與實測、實驗室試驗、理論研究、數(shù)值試驗及工程實踐等方法手段,綜合采礦學、數(shù)學、力學、計算機等學科知識,對論文選題進行深入系統(tǒng)的研究,取得了如下所述主要成果與結(jié)論:(1)紅慶河煤礦大斷面煤巷掘進過程中幫部破壞嚴重,破壞類型有肩角片落、中部片落與底角片落3種,主要表現(xiàn)為巷幫肩角處煤體片落;初步分析推測發(fā)生破壞的原因主要來自于地應力水平、3-1煤節(jié)理裂隙、巷道斷面尺寸與形狀、支護不合理及其它因素等幾方面;圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)回采巷道頂板完整性較好,幫部存在不同程度的裂隙;圍巖強度原位測試表明頂板巖石穩(wěn)定,但強度相對較低,3~(-1)煤強度波動較大;地應力測量得知最大水平主應力值介于3.76-28.68MPa之間,最小水平主應力值介于2.79-23.42MPa之間,最大水平主應力方向近似為NE向;最大與最小水平主應力差值較小,且隨埋深的增加波動平穩(wěn)。(2)通過巷幫煤體實驗室單軸壓縮、常規(guī)三軸壓縮及多圍壓梯度下卸荷試驗,得到其在不同應力路徑下的變形與破壞特性:煤樣變形隨偏應力的增大而增大,偏應力一致時,卸載相對于加載會產(chǎn)生更顯著的擴容;常規(guī)三軸加載下煤樣軸向應變與徑向應變大致相當,而卸載時前者只有后者二分之一大小;常規(guī)三軸加載下,隨所受圍壓的增加,煤樣變形逐漸由脆性轉(zhuǎn)為塑性,但卸載時煤樣只會發(fā)生脆性破壞;圍壓變化對煤樣強度具有顯著影響,但卸載時其峰值強度相較常規(guī)三軸加載明顯偏低;煤樣單軸壓縮與常規(guī)三軸加載下會呈現(xiàn)單一的破壞類型,而卸載時煤樣的破壞形態(tài)介于二者之間,是一種剪切破壞為主,存在部分劈裂破壞的復合狀態(tài);卸載應力路徑將使煤樣更易發(fā)生破壞。(3)以實驗室試驗數(shù)據(jù)為基礎,提出通過相對變形模量表征的損傷因子及圍壓差比等概念,定量評價不同圍壓梯度下煤體卸荷損傷與破壞;歸納總結(jié)5種經(jīng)典煤巖體強度準則優(yōu)缺點與適用性并多線型擬合試驗數(shù)據(jù),優(yōu)選出卸載時煤體適用的強度準則與莫爾強度包絡線;幫部一定范圍內(nèi)煤體會由于巷道開挖出現(xiàn)所受垂直應力增加,水平應力不斷降低的現(xiàn)象,且巷高的增加會加劇這一影響的范圍與程度,正是由于垂直應力與水平應力之間的差值不斷加大使得幫部煤體發(fā)生破壞;基于卸荷應力作用構(gòu)建了煤巷幫部破壞機理分析力學模型且通過工程實例驗證其合理性。(4)綜合理論研究、現(xiàn)場調(diào)研及前人所得成果發(fā)現(xiàn):埋深、巷高、地應力狀況、煤體內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及支護強度等幾方面因素會誘發(fā)煤層巷道幫部破壞,以上因素可歸結(jié)為設計、地質(zhì)條件及力學參數(shù)三類;利用FLAC3D軟件模擬各因素對煤巷幫部最大水平位移的影響,相關系數(shù)R回歸結(jié)果表明各因素都對研究對象具有顯著的影響;內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力及支護強度為可調(diào)控因素,而巷高、側(cè)壓系數(shù)及埋深為基本不可控因素;3個可控影響因素響應面法分析表明:煤幫最大水平位移回歸模型為二階響應曲面;最大水平位移不僅受單一因素的影響,各因素間交互作用亦對其有一定影響。(5)基于本論文全部研究所得結(jié)論及相關工作面煤壁破壞加固技術(shù),提出通過減緩巷幫煤體應力差、改善煤體性質(zhì)與提升掘進工藝水平等技術(shù)途徑防控煤巷幫部破壞。建立典型大斷面煤巷UDEC數(shù)值模型,模擬研究幫部煤體裂隙場與變形破壞特征,分析不同巷高、掘進工藝、煤體力學性質(zhì)及支護強度對其的影響,結(jié)果表明:巷高的增加導致兩幫煤體裂隙發(fā)育高度、深度及范圍不斷加大,裂隙分布逐漸由“窄而疏”變得“廣而密”,破壞程度與兩幫移近變形不斷加劇,煤幫上部更易發(fā)生破壞;從巷道開挖卸荷之后幫部煤體裂隙發(fā)育、變形與破壞特征3方面來看,分兩次掘進都要優(yōu)于全斷面一次掘進成巷,但分左右兩次與分上下兩次掘進對煤巷整體的控制作用具有一定區(qū)別,圍巖狀況不同需采取有差異的掘進工藝;提高煤體內(nèi)摩擦角與內(nèi)聚力都能在一定程度上減輕巷道開挖之后兩幫煤體裂隙發(fā)育、變形與破壞的程度,但此調(diào)控作用有限;提高巷道圍巖支護強度不僅可改善幫部煤體受力狀況,降低應力差,且能在一定范圍內(nèi)提高煤體自身強度,巷道開挖卸荷之后兩幫煤體裂隙發(fā)育、變形及破壞程度都將隨支護強度的提高而顯著減小,存在臨界支護強度,一旦超過此狀態(tài),煤幫破壞控制效果不再有明顯改善。(6)構(gòu)建“分次開挖、柔性護表、一次強力支護”大斷面煤巷開挖卸荷幫部破壞控制理念,基于此提出了紅慶河煤礦3-1101工作面膠帶運輸順槽具體控制技術(shù)并展開現(xiàn)場工程實踐,礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:煤巷圍巖整體穩(wěn)定性較好,幫部破壞得到有效控制。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD353

【參考文獻】

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本文編號：1772281