采动动载对煤巷锚网支护结构稳定性损伤机理研究

煤矿冲击矿压等动力灾害约90%发生在采掘巷道中，而这些巷道大部分采用锚网索支护。因此研究锚网支护结构动力损伤失稳规律，改善和提高锚网支护结构在动力严重巷道的适应性具有重要的理论与实用价值。课题采用理论分析、数值模拟、实验室试验和现场测试等手段对巷道锚网支护结构的动力损伤破坏规律进行了研究。 根据现场实践及冲击案例分析，发现动载影响巷道支护系统不仅需要静抗力，还需具有屈服和让压特性，以吸收煤岩体突然破坏过程中释放的动能，即巷道支护必须具有高支护强度、适当的变形刚度及一定的让压柔度。 数值模拟分析研究了在动载作用下巷道不同方位锚杆的轴力分布规律，静载和动载单独作用和组合作用时锚杆的轴力变化规律。发现矿震主要影响靠近震源侧的锚杆单元，锚杆在矿震扰动下发生破断大都发生在锚杆中点及中点靠震源侧位置。 通过研制的动静组合巷道支护相似模拟试验台，研究了锚网支护结构与围岩在不同能量动力作用下的破坏规律，揭示了不同锚固参数巷道周边围岩在动应力作用下响应特征的差异。锚固效果较差时，锚固区呈局部突出冲击破坏形式，巷道周边围岩破坏程度较为猛烈；锚固效果较好时，锚固区呈整体移动破坏，巷道周边围岩破坏程度明显减小；锚固间排距较小时，巷道在动力作用下的自稳能力明显增强；冲击动能增大，围岩变形破坏加速度和位移增大，声发射事件数增多。 分析了动载荷作用下锚杆巷道周边围岩的响应特征，建立了锚杆支护结构与围岩形成的支护体在动应力作用下的力学模型，提出了在动应力波作用下，单次瞬间摧垮破坏和循环累积损伤破坏时锚固巷道失效破坏的理论判据。建立了动应力作用下锚网支护结构失稳破坏的“防冲壳—围岩失稳阻断”理论。即锚网支护的强化作用使巷道周边围岩形成了一个壳体承载结构；锚网支护的“柔性功能”可在一定的围岩变形移动时，保持防冲壳结构的整体性和稳定性，使防冲壳结构对巷道内部围岩起到有效的支撑作用，降低冲击矿压的破坏烈度。 2100433B

针对冲击矿压、岩爆等矿井动力灾害造成巷道锚网支护结构损伤失效导致巷道破坏和人员伤亡的现象，以复杂地质条件和应力条件下的煤层巷道锚网支护结构为研究对象，通过理论分析、实验室试验研究、数值模拟分析和现场测试等研究手段，以材料力学、机械振动力学、矿山岩体力学、弹塑性力学等为理论平台，对采动动载的动力作用下锚杆支护结构物理力学特性、锚网支护结构与围岩动力作用下的耦合作用机制以及动力作用下的锚网支护结构损伤失效条件进行研究，揭示动力作用下锚网支护结构的损伤破坏规律。.项目研究成果提出动力作用下锚网支护结构损伤失效的判别准则，为解决冲击动力显现严重的巷道支护问题上提供理论支撑和研究方向。

1 绪论

1.1 综放开采无煤柱护巷技术简介

1.2 小煤柱护巷技术研究现状

1.3 沿空留巷技术研究现状

1.4 小煤柱护巷技术研究工程背景

2 小煤柱护巷与沿空留巷技术理论分析

2.1 综放工作面矿压显现的基本规律

2.2 综放开采小煤柱护巷理论分析

2.3 综放开采沿空留巷理论分析

2.4 小煤柱护巷与沿空留巷的对比分析

3 小煤柱护巷与沿空留巷技术数值分析

3.1 FLAC3D程序简介

3.2 数值模拟模型的建立

3.3 综放开采小煤柱护巷的数值分析

3.4 综放开采沿空留巷的数值分析

3.5 小煤柱护巷与沿空留巷数值分析

4 综放开采小煤柱护巷支护理论

4.1 小煤柱护巷工作面端头支护理论

4.2 小煤柱护巷回采巷道支护理论

5 小煤柱护巷巷道支护设计

5.1 小煤柱护巷巷道支护的重要性

5.2 小煤柱护巷支护设计

5.3 小煤柱护巷技术的推广应用

6 护巷小煤柱注浆加固技术

6.1 注浆加固技术概述

6.2 护巷小煤柱注浆加固机理分析

6.3 护巷小煤柱注浆加固工艺技术

6.4 护巷小煤柱注浆加固效果

参考文献

基于巷内充填沿空留巷新技术方案，针对综放沿空留巷的特点和难点，综合运用现代力学理论和采矿原理，合理利用先进的数值模拟和物理模拟方法，首次将关键层理论引入沿空留巷围岩稳定性控制，建立综合考虑充填体、煤帮及顶煤变形协调的综放沿空留巷围岩结构力学模型，定量计算充填体稳定所需的强度和变形量、顶煤的应力分布及变形特征，分析综放沿空留巷围岩大变形机理，并提出合理的围岩稳定性控制原理。本项目的研究成果不仅可应用于厚煤层综放开采工作面，也可应用于中厚煤层工作面；不仅适用于高瓦斯煤层工作面，也适用于低瓦斯高产高效工作面；还可为沿空掘巷和工作面端头稳定性控制提供借鉴。该项研究可为拓宽关键层理论的应用领域、深化锚杆支护机理的认识和推广沿空留巷技术的应用起到积极的促进作用。 2100433B

长期以来，采区巷道普遍采用留煤柱的方式护巷，不仅煤炭采出率较低、巷道维护困难，而且较宽的煤柱在工作面后方形成应力集中，使布置在煤柱下方的岩巷或下层煤回采巷道维护困难，研究沿空留巷实现无煤柱开采具有重要意义。但由于沿空留巷巷旁充填体经历顶板活动持续时间长、产生应力集中度高、动压影响强烈，充填体与顶板关键块结构相互作用关系研究不足，充填体力学性能设计不合理导致沿空留巷关键块结构失稳、围岩强烈变形甚至报废的现象时有发生。因此，本课题以沿空留巷顶板应力对巷旁充填体作用为主线，综合运用多种方法研究分析，得到以下几点结论：1）分析了基本顶破断与充填体相互作用关系，建立了沿空留巷关键块结构三维力学模型，研究得到了该结构的稳定状况与充填体力学性能的关系及影响规律；2）研究了充填体应具备早凝、快速增阻、良好变形性能和后期强度高的力学性能，分析了充填体变形特征、塑性区演化规律及承载变化规律，得到了充填体变形与承载的主要影响因素及效应；3）分析了侧向约束力与塑性状态充填体的相互作用关系，揭示了充填体稳定机理，开发了保持塑性状态充填体稳定的预应力控制方法，同步实现充填和加固充填体，增加了充填体的承载能力和抗横向变形能力。通过开展本项目研究，对于揭示充填体的变形机理具有重要意义，研究成果可为沿空留巷巷旁充填体力学参数的确定与充填体稳定性控制提供基础依据。 2100433B