深部厚頂煤巷道圍岩破壞機理及穩定控制試驗研究

《深部厚頂煤巷道圍岩破壞機理及穩定控制試驗研究》是依託山東大學，由王琦擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深部厚頂煤巷道圍岩破壞機理及穩定控制試驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王琦
• 依託單位：山東大學

中文摘要

深部厚頂煤巷道圍岩的破裂範圍大，頂板煤體整體強度低，極易出現離層，頂板事故頻發。造成上述問題的根本原因在於深部複雜地質條件下該類巷道的破壞機理不明確，控制理念與方法存在分歧。本項目擬以巨野礦區為工程背景，研究深部厚頂煤巷道圍岩典型破壞模式，建立不同失穩破壞模式所對應的地質模型。在此基礎上，研發大型三維地質力學模型試驗系統，通過地質模型對比試驗，研究圍岩失穩破壞機理。同時，建立深部厚頂煤巷道頂板失穩破壞的理論分析力學模型，運用能量耗散最小原理，得出頂板失穩的力學判據，研究頂板圍岩破壞機制。基於圍岩失穩破壞機理及關鍵影響因素，提出深部厚頂煤巷道圍岩控制理念，改進自主研發的讓壓型錨索箱梁支護系統，建立支護系統耦合性能定量評價指標，並通過模型試驗與現場對比試驗，完善深部厚頂煤巷道失穩破壞理論，最佳化支護系統。本項目研究成果將為解決深部厚頂煤巷道的圍岩控制難題提供理論依據與技術指導。

結題摘要

本項目以巨野礦區典型的深井煤礦-趙樓煤礦為工程背景，針對深部高地應力作用下厚頂煤巷道支護難題，通過現場實測、理論分析、材料研發、數值分析、模型試驗及現場試驗等手段相結合的方法，對深部厚頂煤巷道的變形破壞及圍岩控制機理進行研究。 項目主要對通過深部厚頂煤巷道變形破壞規律現場實測研究，得到了趙樓煤礦深部厚頂煤巷道頂板圍岩不可控的主要原因及機制。基於塑性力學的極限分析理論，採用廣義Hoek-Brown經驗強度準則，推導出了巷道頂板冒落的跡線方程，討論了不同岩體力學參數、圍岩應力水平與支護荷載大小對頂板冒落範圍的影響。提出了深部厚頂煤巷道“先控後讓再抗”的耦合讓壓強力支護理念，改進了自主研發的讓壓型錨索箱梁支護系統。研製了新型柔性均布壓力載入裝置，基於趙樓煤礦3302工作面順槽地質條件，針對讓壓型錨索箱梁支護系統兩種典型支護方案（縱梁支護方案和橫樑支護方案）下的開挖支護過程進行了地質力學模型試驗研究，得到了不同支護方案的巷道圍岩應力演化規律、圍岩變形規律及支護構件的受力特性。建立了錨索梁支護系統對頂板圍岩作用的三維力學模型，對錨索梁支護系統不同布置方式作用下的頂板圍岩應力狀態進行了分析，結果顯示：縱橫組合方案在頂板圍岩中形成的圍壓狀態最佳，其次為縱向單梁方案。在典型工程趙樓煤礦設計並實施了讓壓型錨索箱梁支護系統、工字鋼錨索梁支護系統及T型鋼帶錨索梁支護系統、U型鋼帶錨索梁支護系統4大類14種數值試驗和3大類11種方案的現場試驗。研究表明：讓壓型錨索箱梁支護系統各方案比原支護方案效果顯著提高；讓壓型錨索箱梁支護系統圍岩控制效果整體優於工字鋼錨索梁支護系統且經濟性高；讓壓型錨索箱梁4種支護方案中，巷道圍岩控制效果最好的為縱橫組合方案，其次為縱向單梁方案，再次為縱向雙梁方案，最後為橫樑方案。 通過理論計算、數值試驗與現場試驗結果綜合分析，最終得到了深部厚頂煤巷道圍岩變形破壞機理及讓壓型錨索箱梁控制機制。