构造应力影响下大断面巷道围岩灾变机理及稳定控制研究 陈定超.pdf

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MiningSafety&EnvironmentalProtection
ISSN1008-4495,CN50-1062/TD
《矿业安全与环保》网络首发论文
题目:构造应力影响下大断面巷道围岩灾变机理及稳定控制研究
作者:陈定超,王襄禹,赵祥岍,李冠军,张飞腾
DOI:.1008-
收稿日期:2021-08-05
网络首发日期:2022-06-22
引用格式:陈定超,王襄禹,赵祥岍,李冠军,
岩灾变机理及稳定控制研究[J/OL].矿业安全与环保.
/-
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发论文视为正式出版。
网络首发时间:2022-06-2211:43:06
网络首发地址:.
第卷第期矿业安全与环保
49
年月
20226MiningSafety&
陈定超,王襄禹,赵祥岍,等构造应力影响下大断面巷道围岩灾变机理及稳定控制研究[]矿业安全与环保,
.J.
,():
202249315-19.
,,,

[]
&Environmental
,,():
Protection202249315-19.
DOI:
.1008-
构造应力影响下大断面巷道围岩灾变
机理及稳定控制研究
陈定超,王襄禹,赵祥岍,李冠军,张飞腾
(中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州)
221116
摘要:王庄煤矿运输巷受自身大断面尺寸开采和井田内部地质构造运动影响,围岩破碎严
7105
重,巷道变形剧烈,严重威胁矿井的安全生产。采用现场调研、数值模拟和工业性试验等手段,总结了
构造应力影响下大断面巷道围岩变形规律,揭示了巷道断面尺寸效应和构造应力强弱效应对大断
面巷道围岩灾变的诱导机理;提出了以“顶板强压支护两帮注浆加固底角锚注阻隔”为核心技术
++
的巷道围岩稳定控制对策,并开展了相关的工业性试验。试验结果表明:支护后的巷道在后顶
90d
底板最大变形量为,两帮最大移近量为,有效解决了构造应力影响下的大断面巷道灾
28mm69mm
变问题。
关键词:构造应力;大断面;尺寸效应;灾变机理;注浆加固;控制技术
中图分类号:;文献标志码:文章编号:()
A 1008-4495202203-0015-05
Researchoncatastrophemechanismandstabilitycontrolofsurroundingrockof
largecrosssectionroadwayundertheinfluenceoftectonicstress
CHENDingchaoWANGXiangyuZHAOXiangqianLIGuanjunZHANGFeiteng
,,,,
SchoolofMinesChinaUniversityofMiningandTechnologyXuzhou221116China
(,,,)
Abstract
-
:The7105headgateinWangzhuangCoalMinewasaffectedbyitsownlargesectionminingandthegeological
,whichseriously
,numericalsimulationandindustrialtest,the
-
deformationlawofsurroundingrockoflargesectionroadwayundertheinfluenceoftectonicstresswassummarized,andthe
inducedmechanismofroadwaysectionsizeeffectandtectonicstressintensityeffectonsurroundingrockcatastropheoflarge
sectionroadwaywasrevealed;thestabilitycontrolcountermeasuresofroadwaysurroundingrockwiththecoretechnologyof“roof
++
strongpressuresupporttwosidegroutingreinforcementanchorgroutingbarrieratthebottomcorner”wereputforward,and

supportedroadwayis28mmandthemaximumdisplacementofthetwosidesis69mmafter90d,whicheffectivelysolvesthe
-
disasterproblemoflargesectionroadwayundertheinfluenceoftectonicstress.
Keywords
:tectonicstress;largecrosssection;size
收稿日期:;修订
2021-08-052021-09-19effect;catastrophemechanism;groutingreinforcement;
基金项目:国家重点研发计划项目();
2020YFB1314200controltechnology
国家自然科学基金项目()
51927807
作者简介:陈定超(—),男,江苏南京人,硕士,主要我国煤炭赋存条件复杂多变尤其在深部断层
1999 ,
从事地下空间安全开发与灾害防治方面的研究工作。区域岩层节理相互切割围岩构造活动剧烈导致
,,,
·15·
矿业安全与环保第卷第期
3
年月
&EnvironmentalProtection20226
巷道掘进时常常受到强构造应力影响同时随着岩整体强度较小给巷道维护造成了极大困难巷
。,,。
我国煤矿开采强度的不断增大以及开采设备机械道顶底板岩性如图所示
,1。
化水平的持续提升巷道断面大型化已成为发展趋
,顶底板名称岩层类别厚度/m岩层剖面岩性描述
势对目前的巷道围岩控制技术提出了更高的要
,灰色,细粒,主要成分

求[1-2]国内外众多专家学者开展了大量且卓有成为石英、长石,钙质胶
。结,含云母片
效的研究肖同强[3]根据巨野矿区千米深部地应力灰黑色,含植物化石
:及植物碳化膜,具滑

场的分布特征揭示了深部构造应力作用下的煤层直接顶面,中下部分局部为
,砂质泥岩
巷道围岩变形破坏机理提出了高强高预紧力锚杆
黑色,致密,含植物
,“
支护顶煤斜拉锚索梁支护与肩角煤体加强支护的化石
、”黑色,含5层夹矸,夹
围岩控制技术张智慧等[4],
;在煤层中部发育
再现了深部大断面巷道围岩变形破坏特征模拟了
,黑色,致密,含大量植
,局部为砂质
;泥岩
单仁亮等[5]针对传统支护难以适应大断面厚顶煤巷灰色,细粒,主要成分
为石英、长石,夹有泥

道支护的难题提出了锚杆索协同支护体系有效岩条带,具有黑色水
,、,平层理
减小了巷道变形量于洋等[6]研究了大断面煤巷变
;
形破坏的力学机理提出了对大断面巷道采用整体图巷道顶底板钻孔柱状图
,1
稳定关键部位重点加强的稳定性控制技术马新世
、;
等[7]针对大断面巷道变形严重的问题分析了有无2 数值模拟分析
,
注浆加固条件下的巷道围岩演化规律验证了注浆
, 数值模拟方案
加固技术对控制大断面巷道围岩稳定性的有效性
;基于现场生产地质条件建立数值计算模型模
郭金刚等[8]建立了大断面巷道力学结构模型得出,
,型尺寸长宽高固定模型底
了顶板破断位置的基本表达式研究成果应用于实××=50m×20m×50m,
,面限制模型个侧面的水平运动设置上覆岩层自
际工程中大幅度降低了顶板实体煤帮煤柱帮变,4,
、、重为采用弹塑性材料数值计算模型如图
形量10MPa,,2
。所示
目前与大采高机械化开采相适应的大断面巷。
,
道围岩稳定机理与控制技术的研究处于起步阶段
,
冒顶片帮底鼓等强矿压显现事故时有发生成为
、、,
制约该技术推广应用的瓶颈之一[9-11]随着煤炭开
。
采深度的逐渐增加地质条件愈加复杂构造应力影
,,
响范围和程度也显著增加在此背景之下系统开展
,,
构造应力作用下大断面巷道围岩灾变机理和控制对
策研究对进一步推进巷道掘进支护工艺技术的发
,
展意义重大
。
1 工程概况
晋能控股煤业集团潞安煤炭事业部王庄煤矿
图运输巷数值计算模型
工作面平均埋深煤层厚度稳定平均厚度2 7105
7105450m,,
巷道宽度对围岩稳定性的影响
。,
形断面宽高断面面积为2固定巷道高度为分别设计巷道宽度为
,
,×=×,,
沿底板掘进留顶煤为大断面托顶煤巷道共计个尺寸的
,,。、、、、、、,7
巷道直接顶为松散破碎的砂泥岩和泥岩基本顶为数值计算方案不同巷道宽度条件下巷道围岩变
,。,
坚硬致密的细砂岩两帮为强度较小的破碎煤体围形量如图所示
,,3。
·16·
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225仅增加
顶板下沉量18mm。
200
构造应力对围岩稳定性的影响
底鼓量
175随着深度的增加巷道围岩的水平应力与垂直
150,
m应力比值逐渐增大基于王庄煤矿地应力测试结果
m
/125,,
量发现巷道承受的水平应力与垂直应力比值为
~
变
岩侧压系数为不同侧压系数条件下
75
,~。
巷道深部围岩变形规律如图所示
505。
2580
λ===
0m
m60λ===
/
量
巷道宽度/m沉40
下
图巷道宽度对围岩变形量的影响板
20
3 顶
由图可知巷道宽度为时顶板和两帮变250
3,,λ===
形量较大底鼓量较小随着巷道宽度逐步增大顶板m200
mλ===
/
,。,
量150
下沉量增加幅度也随之加大当巷道宽度为时近
,,移100
增加幅度仅为但当巷道宽度超过后帮
两50
5mm,,
增加幅度开始陡增达到两帮受巷道宽度影200
,20mm;
λ===
响较小两帮移近量增加幅度稳定控制在之160
λ===
,,7mmm
m
内底鼓量变化相对稳定从巷道宽度增加到/120
量
;,
的过程中仅仅增加了鼓80
底
。40
巷道高度对围岩稳定性的影响
0
固定巷道宽度为分别建立巷道高度为0246810
,与巷道表面距离/m
共计个数值计
、、、、、、
算方案不同巷道高度条件下围岩变形量如图5
。,4
所示由图可知
。5:
巷道深部围岩的垂直位移分别在距离顶板表
225
1)
顶板下沉量面的位置和距离底板表面的位置开始
200

趋于稳定
175底鼓量。
150随着巷道围岩侧压系数的增大顶底板和两
m2),
m
/125帮的围岩变形量均不断增加侧压系数由增加
量。
形100到时顶板两帮底鼓变形量分别增加
,、、%、
岩75
围并且随着测压系数的增加顶板下沉
%、%,,
50量和底鼓量增加幅度呈现由快变慢的趋势两帮移
,
25近量增加幅度稳定
0。

3)、
巷道高度/m帮底板的变形量可知巷道顶板所受影响最大两
图巷道高度对围岩变形量的影响、:,
4 帮和底板所受影响相对较小
。
由图可知顶板和两帮受巷道高度的影响较
4,3 大断面巷道围岩控制技术
大当巷道高度为时顶板下沉量为
,,108mm,
高强预应力锚杆支护技术
80mm;,
顶板下沉量和两帮移近量分别增加至和弹性模拟试验表明单根预应力锚杆在打入
213mm“”,
增加幅度较大底鼓量受巷道宽度的影响围岩内部后会以杆体两端为端点形成压缩带碎
211mm,。,;“
较小当巷道高度由增加至时底鼓量石锚固试验证明了预应力锚杆存在预紧力在预紧
,,”,
·17·
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力的作用下围岩受到压缩应力作用产生横向挤压杆参数顶板选用直径长度为的
,:22mm、2400mm
作用造成岩体沿锚杆安装方向发生扩张变形在岩高强高预应力让压锚杆每排布置根间排距为
,;,7,
体自身约束力下横向扩张变形会引起挤压应力的两帮选用直径长度
,850mm×900mm;20mm、2400mm
出现在这种横向挤压应力作用下锚杆与岩体之的注浆锚杆每排布置根间排距
。,,5,1000mm×900mm。
间的摩擦力增加进一步提高了锚杆的锚固效果锚索参数顶板选用直径长度
,。:19mm、7300mm
研究表明[12]锚杆预紧力越大对岩体的横向挤压的高强高预应力锚索每排布置根间排距为
,,,23,
力越强支护效果越好如图所示
,。1400mm×1800mm,6。
巷道围岩注浆充填加固技术
王庄煤矿在强构造应力作用下导致巷道围岩承
受较大的水平应力造成巷道两帮围岩破碎松散相
,,
对移近量大常规传统的锚杆支护形式和参数难以
,
保证巷道围岩稳定因此为了保障巷道在服务年
。,
限内的安全需要对两帮围岩进行加固修复处理重
,,
塑岩体结构增加围岩整体稳定性
,。
注浆充填加固技术能够填充围岩中的裂隙将
,
松散裂隙围岩加固成整体还能阻断裂隙水渗入围
,
岩内部减弱围岩的风化和水化作用此外注浆充
,。,
填加固技术可以有效改善围岩的综合力学性能为
,
锚固支护技术提供可靠的锚固基础而锚固支护系
,()断面图
统又能对注浆加固后的围岩提供更好的支撑限制a
,
进一步改善围岩受力环境[13-16]因此锚杆支护与
。,
注浆充填加固技术有机结合有利于重塑破碎围岩结
构保证巷道围岩稳定
,。
加固巷道底角控制底鼓技术
工作面运输巷或其他的回采巷道内发生强烈底
()俯视图
鼓不仅会造成矿井煤炭或材料运输中断而且会影b
,,—帮角锚杆;—顶角锚杆;—顶板中部锚杆;锚索。
响矿井通风等工作回采巷道两帮围岩均为煤体岩①②③④
。,图巷道支护设计图
层强度低变形量大巷道开挖后围岩应力重新分6
、。
布塑性区首先在尖角位置产生然后逐渐向顶板和注浆参数
,,
底板方向扩展在构造应力作用下煤岩体收缩两巷道两帮分别布置根注浆锚索规格为直径
。,,2,
帮下沉导致底板岩层滑移及破坏底鼓量增加一长度间距排距
,,。、2500mm,2700mm,1800mm,
般而言巷道围岩完整性越差底鼓程度越严重[17-20]每根注浆锚索配合锁具和规格为
,,。300mm×300mm×
控制巷道底鼓有利于巷道围岩整体稳定其中的海星托盘加长锚固同一断面内注浆方
,,12mm,;,
加固巷道底角是简单有效的底鼓控制技术主要原式为自下而上顺序注浆不同断面内注浆方式为排
,;,
理缩小两帮塑性区发育范围减小底板暴露面间间隔注浆即排先注浆排后
:,“”,1、3、5……,2、4、6……
积阻止两帮岩体向底板塑性流动减少底板滑移注浆
;,,。
控制底鼓综合考虑注浆效果和经济成本采用研究团队
。,
自主研发的微纳米级预应力复合注浆材料通过预
4 工业性试验,
应力注浆锚索对两帮进行注浆加固材料粒度平均
,
巷道围岩控制参数在接近纳米级具有高流动性高渗透
~,,、
支护参数性高强度和凝固速度可控等优良特性其显著特点
、,
试验巷道为王庄煤矿工作面运输巷锚是具有一定的膨胀性和膨胀力并且具备阻燃和抗
7105。,
·18·
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静电能力具体技术参数见表产品外观为超细180
,1(
粉料160①帮角锚杆
)。②顶角锚杆
140③顶板中部锚杆
表1 注浆材料主要技术参数N④锚索
k
/120
荷
体积膨胀初凝终凝煤体固结试件水灰比载
100
杆
系数时间时间抗压强度质量比锚
/h/d/MPa()
80
~~107~~
60
矿压监测及分析40
0102030405060708090
巷道围岩位移
观测时间/d
巷道表面位移及深部围岩位移监测结果如图图锚杆索轴力监测曲线
78 ()
所示
。由图可知锚杆轴力随时间总体呈现增长趋
8,
100势并且这种增长趋势对顶板中部锚杆的影响最大
顶底板变形量
,,
两帮移近量
80顶角锚杆最小前内锚杆轴力都表现出快速
。10d
m
m增长趋势锚杆轴力稳定增长以后
/60;10~50d,;50d,
量
形锚杆轴力不再变化最终顶板中部最大轴力稳定在
变40。,
道但高强度锚杆的破坏荷载为以上因
巷
104kN,220kN,
20此锚杆安全系数高锚索轴力在前突增之后
,。15d,
100趋于稳定最终轴力稳定在而锚索的破坏载
,175kN,
0m1m2m荷为因此锚索安全系数高巷道安全
3m4m5m
80300kN,,,。
m
m
/
量结论
605
形
变
岩40巷道断面尺寸效应中巷道宽度因素的变形作
围
1)
部用拐点为巷道顶板变形破坏受巷道宽度尺寸
,
的影响作用最显著巷道高度因素的变形作用未出
0;
0102030405060708090现明显拐点顶底板和两帮变形量均呈线性增长
,。
观测时间/d构造应力强弱效应中随着水平应力侧压系数
2)
图巷道围岩位移监测曲线的增加顶底板移近量呈线性增加趋势两帮移近量
7 ,,
存在拐点水平应力侧压系数为
由图可知在巷道开挖后的前内表面,。
7,10d,提出了以稳控顶煤重构煤帮和限制底鼓
位移监测曲线呈直线上升顶底板变形速度为3)“、”
,为基本思想的大断面巷道围岩控制原理有针对性
两帮移近速度为在围岩达到,
,。地开发了以顶板强压支护两帮注浆加固底角锚
稳定后变形速度大大减缓并于后达到稳定“++
,,50d,注阻隔为核心技术的巷道围岩稳定控制对策并成
最终顶底板变形量为两帮移近量为”,
28mm,69mm,功应用于工程实践
巷道控制效果良好随着围岩深度的增加巷道顶。
。,
板变形量递减后巷道达到稳定此时处参考文献:
。45d,,0m
的顶板变形量增加至处的顶板变形量增
66mm,4m[]康红普我国煤矿巷道围岩控制技术发展年及展

22mm,0m33%,5m望[]岩石力学与工程学报,,():
-30.
4mm,5m[]袁永,袁超峰,朱成,等深部大断面硐室围岩变形柱体
界点围岩进入稳定发展阶段2.
,。力学模型及其应用研究[]采矿与安全工程学报,
锚杆轴力J.
,():
2020372338-348.
锚杆载荷测站布置中为锚杆测站编号[]肖同强深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩稳定与控
①~③,3.
号为锚索测站编号见图锚杆轴力监测结果制研究[]徐州:中国矿业大学,
④(6)。.
如图所示(下转第页)
8。25
·19·
第卷第期矿业安全与环保
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20226MiningSafety&
[],术交流研讨会论文集,
5BSEN481-1993Workplaceatmospheres-Sizefraction2014.
[][]马弢,杨屹,商洁某型虚拟冲击器的设计及数值模
.
[],拟[]辐射防护,,():
6ISO/TR7708-1993Airquality--364.
[][]蒋靖坤,邓建国,李振,等双级虚拟撞击采样器应用于
definitionsforhealth-.
[]周浬皋呼吸性粉尘分离效能测试方法误差分析[]矿固定污染源和排放测量[]环境科学,
.
业安全与环保,,():,():
201340661--2007.
[]张朝晖大气微细粉尘污染综合防治对策[]科技风,[]张佩,赵永凯,杨巍,等亚微米粒子虚拟冲击器的研
.
():制[]中国激光,,():
-243.
[]孙茂文新型惯性冲击器设计与性能分析[]机械研究[]惠立锋燃煤电厂超低排放实验室采样

与应用,,():对比分析[]中国电力,,():
2020336101--196.
[]邹修敏旋风分离器内随机运动颗粒的受力及结构设[]常倩云,杨正大,郑成航,方梦祥,高翔,骆仲泱,岑可

计分析[],机械研究与应用,,():法高湿烟气中超低浓度细颗粒物测试方法研究[]
J202033477-80..J.
[]苏伟,武晶晶,于建奇,等旋风分离器的气相流场的性中国环境科学,,():
-2459.
能分析及数值模拟[]信息技术,,():[]谢双基于虚拟冲击原理的呼吸性粉尘分离技术和分
-19.
离器研究[]重庆:重庆科技学院,
.
[]黄鹏升基于响应曲面法的旋风分离器排气管优化研[]温俊生,施红辉,徐胜利,彭杰,陈波头型对回转体垂
.
究[]现代矿业,,():直入水时空泡面闭合影响的数值模拟[]浙江理工大
-.
[]姚宇平,刘含笑,朱少平燃煤电厂低浓度烟尘及学学报(自然科学版),,():
-579.
测试方法探讨[]燃煤电厂“超低排放”新技(责任编辑:陈玉涛)
//
􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃
(上接第页)
19
[]张智慧,潘一山深部巷道破坏分区破裂规律三维相似究[]岩石力学与工程学报,():
-345.
材料实验[]煤炭学报,,():[]王襄禹,张宏伟,李国栋弱胶结富水顶板巷道围岩控
-.
[]单仁亮,李兆龙,鲍永生,等大断面厚顶煤回采巷道锚制技术研究[]煤炭科学技术,,():
-92.
杆索协同支护技术研究[]矿业研究与开发,,[]康红普,冯志强煤矿巷道围岩注浆加固技术的现状与
.
():发展趋势[]煤矿开采,,():
40170--7.
[]于洋,朱琪,王襄禹,等大断面下山煤巷围岩稳定性控[]李磊大断面托顶煤巷道灾变机制与控制技术研
.
制技术[]煤炭科学技术,,():究[]徐州:中国矿业大学,
-.
[]马新世,弓培林,李超深部大断面巷道围岩注浆加固技[]鹿利恒恒源煤矿深井大断面硐室围岩稳定性控制技
.
术研究与应用[]矿业安全与环保,,():术研究[]徐州:中国矿业大学,
-.
[]谭云亮,范德源,刘学生,等煤矿超大断面硐室判别方
.
[]郭金刚,王伟光,何富连,等大断面综放沿空巷道基本法及其工程特征[]采矿与安全工程学报,,

顶破断结构与围岩稳定性分析