特厚煤層沿底巷道頂板離層－失穩災變模型與控制機理

《特厚煤層沿底巷道頂板離層－失穩災變模型與控制機理》是依託中國礦業大學，由嚴紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：特厚煤層沿底巷道頂板離層－失穩災變模型與控制機理
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：嚴紅
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

特厚煤層沿底巷道頂板離層—失穩災變是我國煤礦井下各類巷道頂板災害中發生頻率最高和造成傷亡事故最嚴重的災害之一，並嚴重製約著特厚煤層賦存礦區煤炭的安全持續高效開採，而錨索桁架系統在控制特厚煤層沿底巷道頂板失穩方面具有一定優勢，但控制機理不清。因此，開展特厚煤層沿底巷道頂板離層—失穩災變機理和錨索桁架系統控制頂板失穩機制研究非常必要。本項目擬綜合運用理論分析、力學計算、現場測試、相似模擬、數值模擬等方法，針對特厚煤層沿底巷道頂板離層分布狀態、採掘進程頂板離層演化規律、頂板內不同位置夾矸層時離層與失穩關聯性、錨索桁架系統控制頂板力學機理等進行研究，揭示特厚煤層沿底巷道頂板離層動態演化規律，建立可表征隨採掘進程頂板離層—失穩災變模型以及失穩判據準則，闡明錨索桁架系統對頂板失穩的防控機制。研究成果在深化特厚煤層沿底巷道頂板致災機理、控制惡性冒頂事故及推動支護技術改革方面具有重要的理論意義和實用價值。

結題摘要

本項目針對特厚煤層沿底巷道頂板離層－失穩控制難題，綜合採用現場調研、理論分析、相似材料模擬、數值模擬等方法，對特厚煤層沿底巷道頂板離層-失穩演化特徵及錨索桁架系統作用機制進行研究。 項目通過對典型礦區特厚煤層沿底巷道頂板變形特徵的大量調研和實測，得出厚煤頂巷道圍岩難以控制的主要原因；基於回採過程中特厚煤層沿底巷道頂板存在的節理等非連續結構影響、高水平應力及采動應力影響聯合作用，構建了特厚煤層沿底巷道頂板離層位置預測力學計算模型，推導了特厚煤層沿底巷道頂板離層發生位置的公式；分別構建了特厚煤層巷道頂板層間離層和離層-失穩力學計算模型，得出了頂板層間離層上限位置確定所需要滿足的荷載條件、極限跨度、撓度條件及頂板關鍵層位置與離層位置範圍的計算式以及頂板離層致失穩過程錨索支護結構破壞判據；在此基礎上，根據厚煤頂中夾層與頂板錨桿（索）位置關係，建立相似材料物理模型，模擬得出了不同采動應力條件下特厚煤層巷道圍岩演化特徵。選擇典型特厚煤層回採巷道，現場監測並分析得出了頂板離層孕育發展的主要區域以及橫、縱離層的演化特徵；採用3DEC模擬軟體分析了隨采動過程特厚煤層回採巷道圍岩頂板離層和應力的分布規律；結合特厚煤層巷道支護系統—頂板岩層協調作用關係，分別建立了厚煤頂錨索桁架支護和無支護下頂板變形計算力學模型，推導了採用錨索桁架系統及無支護時頂板最大下沉和離層量、採用錨索桁架前後頂板最大下沉和離層減小量計算式；採用ABAQUS軟體模擬比較了錨索桁架系統與錨桿/索支護方式下特厚煤層沿底巷道頂板的應力場、位移場和塑性區範圍分布特徵，闡明了錨索桁架支護特厚煤層巷道頂板的優越性，為錨索桁架系統在特厚煤層沿底巷道運用提供理論支撐；最後將錨索桁架系統在典型特厚煤層沿底巷道進行了成功實踐。 通過理論分析、數值模擬、力學計算、現場試驗結果分析等，最終得到了特厚煤層回採巷道頂板離層演化特徵及錨索桁架系統對厚煤頂的作用機理。