余吾礦單軌吊巷道頂板穩(wěn)定性機理及控制研究

余吾礦單軌吊巷道頂板穩(wěn)定性機理及控制研究煤炭對我國經(jīng)濟的發(fā)展有重要影響,我國是一個貧油少氣富煤的國家,煤炭是我國的主體能源。我國95的%煤炭通過井工開采方式采出,而礦井采掘活動破壞了地下巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),引起應(yīng)力的重新分布,進(jìn)而引發(fā)巷道冒頂、片幫、底板鼓起等一系列礦山壓力現(xiàn)象的發(fā)生,影響工作面的正常生產(chǎn)。對于底鼓現(xiàn)象易發(fā)的巷道,礦車及機車運輸方式不再適用,常常采用受巷道底板影響較小的單軌吊擔(dān)任工作面的輔助運輸。然而,單軌吊載荷作用下,巷道頂板承受高集中應(yīng)力的作用,頂板的失穩(wěn)方式及支護機理均發(fā)生較大改變,結(jié)合綜放工作面的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境及綜放工作面巷道的空間位置布置方式對單軌吊巷道穩(wěn)定性的影響作用,單軌吊巷道頂板穩(wěn)定性的維持較為困難。本論文的研究依托于潞安礦業(yè)集團余吾煤礦 綜放工作面工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單無頂板淋涌水現(xiàn)象 工作面主采煤層煤為黑色、塊狀構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育、參差狀斷口,主要由亮煤組成,并夾有鏡煤暗煤條帶,屬光亮型煤。煤質(zhì)為特低硫、低磷、中灰、熱穩(wěn)定性好、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)動力煤,其煤種為貧煤類,煤層瓦斯含量低。為了解決工作面回采過程中單軌吊作用下回采巷道頂板穩(wěn)定性的控制問題本文進(jìn)行了 工作面回風(fēng)巷的頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)研究。針對以上研究內(nèi)容,通過數(shù)值模擬及理論分析手段得出區(qū)段煤柱、巷道布置方式及單軌吊載荷對頂板穩(wěn)定性的影響機理,并通過數(shù)值模擬研究綜放開采采場側(cè)向支承壓力及偏應(yīng)力第二不變量分布規(guī)律,對比分析支承壓力及偏應(yīng)力第二不變量得出單軌吊巷道區(qū)段保護煤柱的合理寬度;基于錨桿索預(yù)應(yīng)力場的分布結(jié)構(gòu)特征分析,提出巷道頂板支護的錨固復(fù)合深梁承載結(jié)構(gòu),并建立單軌吊作用下巷道頂板深梁穩(wěn)定性力學(xué)模型,分析頂板錨固復(fù)合深梁承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響因素,通過分析不同參數(shù)下深梁的受剪情況得出單軌吊巷道頂板合理的支護參數(shù),最終確定了單軌吊巷道的頂板支護方案并進(jìn)行了現(xiàn)場礦壓觀測。本論文的研究主要取得了以下結(jié)論 在分析余吾煤礦 及工作面實際生產(chǎn)地質(zhì)條件及煤層賦存條件的基礎(chǔ)上總結(jié)得出回風(fēng)巷道頂板穩(wěn)定性的主要影響因素為巷道的留設(shè)方式、巷道與煤層的空間位置關(guān)系、單軌吊載荷。（2通過對綜放開采下覆巖移動特征的分析,建立了綜放開采條件下工作面老頂側(cè)向端部整體結(jié)構(gòu)模型,得出相鄰工作面開采對單軌吊巷道穩(wěn)定性的影響在于巷道圍巖的完整程度與應(yīng)力集中的相互矛盾。（3通）過數(shù)值模擬不同頂煤厚度條件下巷道圍巖的應(yīng)力場及位移場分布,得出頂煤厚度對巷道頂板穩(wěn)定性的影響規(guī)律為:頂板巖層水平應(yīng)力在頂板煤巖交界面處發(fā)生突變,水平應(yīng)力增大,煤巖交界面穩(wěn)定性差,隨頂煤厚度的增加,巷道頂板附加載荷值增大,塑形區(qū)范圍擴張,巷道變形量增大。 運用 數(shù)值模擬軟件模擬了工作面?zhèn)认蛑С袎毫捌珣?yīng)力第二不變量隨煤柱寬度的變化規(guī)律,不同煤柱寬度條件下,支承壓力及偏應(yīng)力第二不變量具有相同的變化規(guī)律。煤柱寬度較小,即采用沿空留巷時,煤柱內(nèi)部處于低支承壓力狀態(tài),應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移至巷道實體煤幫,巷道實體煤幫處于高集中應(yīng)力狀態(tài),但煤柱及巷道實體煤幫受相鄰工作面的采動影響處于大范圍的塑形狀態(tài),巷道圍巖的完整性差,穩(wěn)定性低,自承能力差,不利于單軌吊作用下巷道頂板穩(wěn)定性的維持;隨煤柱寬度的增大,巷道及煤柱塑形區(qū)范圍逐漸收縮,巷道受相鄰工作面開采產(chǎn)生的應(yīng)力疊加作用減弱,巷道圍巖完整程度及兩幫應(yīng)力集中程度降低,維護難度降低。通過對工作面?zhèn)认蛑С袎毫捌珣?yīng)力第二不變量進(jìn)行對比分析得到偏應(yīng)力第二不變量對煤柱寬度選擇的指導(dǎo)作用,結(jié)合極限平衡理論下的煤柱寬度理論分析確定合理的煤柱寬度為 0 通過分析巷道頂板的不同冒落形式得到單軌吊作用下巷道頂板的失穩(wěn)機理,結(jié)合數(shù)值模擬得出單軌吊對巷道圍巖位移場、應(yīng)力場及塑形區(qū)分布的影響,單軌吊使得巷道頂板的應(yīng)力及位移量增大,單軌吊載荷過大時,模擬單元網(wǎng)格發(fā)生變形,有可能發(fā)生局部巖體的拉斷現(xiàn)象,因此,單軌吊作用下巷道頂板的維護重點為單軌吊懸吊區(qū)的淺部巖體。（6通）過對單軌吊作用下巷道頂板的穩(wěn)定性判據(jù)分析提出了余吾礦 綜放工作面單軌吊回采巷巷道頂板總體的控制方向:應(yīng)從維持頂板巖層自身完整入手,避免因單軌吊載荷作用及開采擾動導(dǎo)致的圍巖內(nèi)部原有裂隙的擴展及新裂隙的產(chǎn)生,使單軌吊懸吊錨桿的錨固點位于完整的穩(wěn)定巖層中。（7基）于錨索預(yù)應(yīng)力作用下的預(yù)應(yīng)力場分布形態(tài),建立多錨索作用下的數(shù)值模擬模型,模擬結(jié)果表明:多錨索作用下的預(yù)應(yīng)力場近似為端部較窄,中部寬度較大的“鼓”形分布,輔以淺部錨桿的作用能夠使預(yù)應(yīng)力場呈近似的矩形狀,并且通過調(diào)節(jié)錨索的間排距及預(yù)緊力等參數(shù)能夠形成沿巷道軸向及切向均勻連續(xù)分布的預(yù)應(yīng)力場,根據(jù)彈性力學(xué)的平面問題假設(shè)要求,提出預(yù)應(yīng)力錨桿索作用下的頂板錨固復(fù)合深梁承載模型。（8建）立了單軌吊作用下巷道頂板錨固復(fù)合深梁承載結(jié)構(gòu)簡化力學(xué)模型,分別求得均布載荷、集中力作用下梁內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài),通過應(yīng)力疊加法得出多載荷耦合作用下深梁內(nèi)部任一點的應(yīng)力分量,基于最大剪應(yīng)力強度準(zhǔn)則得到深梁的穩(wěn)定性求解公式。（9通）過對不同參數(shù)錨索作用下的預(yù)應(yīng)力場分布形態(tài)分析,得出錨索參數(shù)對預(yù)應(yīng)力場分布的影響規(guī)律,預(yù)應(yīng)力場范圍及應(yīng)力值大小與錨索長度、間排距等錨索支護參數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,與錨索預(yù)緊力為正相關(guān)。（10通過）分析錨索預(yù)應(yīng)力場及頂板錨固復(fù)合深梁的相關(guān)關(guān)系,得到錨索長度、間距及預(yù)緊力均為深梁穩(wěn)定性的復(fù)合影響因素。運用 數(shù)值軟件計算得出單軌吊及錨索支護阻力作用下不同結(jié)構(gòu)尺寸深梁內(nèi)部最大剪應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力場分布情況,以最大剪應(yīng)力近零應(yīng)力區(qū)及錨索預(yù)應(yīng)力擴散系數(shù)為衡量指標(biāo)對深梁的穩(wěn)定性進(jìn)行量化分析,得到以下結(jié)論:單軌吊作用下,隨單軌吊載荷的增加,深梁內(nèi)部最大剪應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)范圍擴張,巷道淺部巖體的穩(wěn)定性降低;錨索預(yù)緊力不僅影響深梁內(nèi)部最大剪應(yīng)力分布還影響預(yù)應(yīng)力場的擴散情況,結(jié)合兩者分析結(jié)果,高預(yù)緊力作用下深梁的穩(wěn)定性增加;深梁內(nèi)部最大剪應(yīng)力近零應(yīng)力區(qū)隨錨索間距為先增大后減小的變化趨勢,但錨索間距的增加導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力場擴散效果的減弱及預(yù)應(yīng)力場沿巷道切向的差異程度升高。（1結(jié)1）合現(xiàn)場實際情況,進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究,通過現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果分析,最終確定了單軌吊作用下綜放工作面回采巷道支護方案。單軌吊作用下的綜放工作面回采巷道頂板采用密集長錨索支護錨索