深部高应力巷道梯次让压支护技术研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:RyanDay
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随着开采深度的不断增加,煤矿所处的地应力环境越来越高。在高地应力作用下,深部高应力巷道围岩支护结构发生较大的非线性变形和破坏,严重威胁深部煤矿安全。经过多年研究,面对围岩大变形时,以围岩能量吸收和变形释放为基础的让压支护代替传统的刚性支护已逐渐成为解决深部高应力巷道大变形问题的共识。但是目前针对深部高应力巷道让压控制技术理论研究还不够完善,让压空间小,无法满足高应力巷道的变形需求,不能有效发挥围岩的自承能力。同时现有的让压体系中锚杆等刚性支护结构随围岩变形能力差,较易发生扭断而导致支护结构的失效。因此,本文以麻家梁矿4#煤层为工程背景,基于胶带运输巷的围岩变形特征及影响因素,提出适用于深部高应力巷道控制围岩变形的梯次让压支护技术,介绍了一种新的多级让压结构形式--梯次让压结构和一种新的支护方式即将让压层放置于锚杆托板与围岩表面紧贴的方式。并通过实验室试验、数值模拟、物理相似模拟试验和现场应用得到验证。梯次让压体系能够提供足够的让压空间,充分发挥围岩的自承能力,减少锚杆等刚性支护体的破坏并有效控制围岩变形,为深部高应力巷道合理支护提供了新的控制途径。主要研究成果如下:(1)通过对麻家梁矿进行现场观测,基于胶带运输巷道的破坏特征及影响因素对高应力巷道的失稳机理和让压支护机理进行了分析,分析结果认为围岩失稳的主要原因地应力和支护强度不匹配;对于深部高应力巷道的变形控制,应当采用先让后支、柔让适度的方法,允许围岩进行一定量的可控变形来改善围岩应力状态,选取合适的支护时机以及支护刚度,以较小的支护阻力去适应较大的围岩变形,避免地应力释放不充分或是围岩过度变形引发的安全事故。(2)提出了梯次让压支护技术,并运用能量学分析了梯次让压支护机理。其中通过不同强度的柔性吸能材料组合成梯极材料,梯极材料在不同应力条件下递进压缩变形,逐级吸收巷道开挖后围岩产生的变形能,使围岩中的形变压力随着其变形的释放逐渐减少,充分发挥围岩自身的承载能力,减少锚杆等刚性支护体的承担载荷,进而达到有效控制围岩变形的目的。(3)通过实验室试验,研究了橡胶、加气砖、泡沫铝、松木等柔性吸能材料及4种梯次让压材料结构的力学响应规律,对其应力平台、连续变形量及承载峰值进行了分析,试验结果表明:橡胶-泡沫铝-松木组合结构的应力平台最长、极限压缩量及承载峰值相比其他组合结构也有了显著提升。说明其能够提供较大的让压空间,进而改善锚杆等刚性支护体的受力状态,确定橡胶-泡沫铝-松木结构为梯次让压材料的最佳组合结构。(4)通过FLAC3D数值模拟,研究了让压层厚度对巷道围岩变形量的影响,对比分析了原支护方案和梯次让压支护方案下巷道围岩的应力场、位移场的变化规律以及塑性区的分布情况。模拟结果表明:围岩变形量先减小后随着让压层厚度的增加而增大。让压层厚度为180 mm时,围岩变形位移控制效果最好;巷道在采用梯次让压支护方案后,围岩垂直应力、水平应力以及剪应力分布明显改善,顶板下沉量降低了93%,两帮移近量降低了86.7%,围岩塑性区范围明显的缩小。(5)采用物理相似模型试验,通过对比分析不同支护方案以及不同应力条件下巷道围岩的变形破坏特征、破坏规律和支护效果,得出采用梯次让压吸能支护方案的模型整体位移量最小,整个模型较为完整。验证了梯次让压支护方案的可靠性。(6)将梯次让压支护方案应用于麻家梁矿4#煤运输巷道支护中,并对巷道围岩位移、顶板离层量以及锚杆锚索轴力进行监测。结果表明顶板最大下沉量由428 mm减少至68 mm,帮部最大变形量由318 mm减少至52 mm,顶板及两帮变形量相较于原支护分别降低了84.1%和83.6%,围岩变形量显著降低。且巷道变形顶板离层量明显降低,锚杆、锚索受力合理,刚性支护体保存较为完整。现场观测结果表明,梯次让压支护方案可以实现高应力巷道围岩的稳定控制。
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