小屯煤矿主平硐采动失稳规律研究与应用

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矿井平硐开拓两翼采区布置的开采条件下,主平硐易受多采面扰动等因素影响而出现失稳大变形,继而制约矿井安全高效开采。本文以贵州大方煤业小屯矿主平硐为工程背景,通过现场调查、实验室实验、数值模拟等综合研究方法,确定了诱发该类主平硐失稳的主要影响因素,揭示了主平硐水浸围岩多采面应力扰动作用下的变形破坏失稳特征,提出深锚-浅注非对称强化修复控制技术及实施方案,并成功开展了现场工业性应用。主要结论如下:(1)开展了小屯煤矿主平硐工程现场情况调查分析,确定了两翼采区布置条件下诱发主平硐围岩失稳的主要影响因素。一是受两翼工作面回采多重采动应力叠加扰动影响主平硐围岩产生大范围损伤破坏;二是喀斯特地貌下浅埋矿井受季节性降水影响严重,主平硐软弱围岩遇水弱化导致支护体锚固结构失效。(2)结合实验室相关测试结果,分析确定了主平硐帮顶围岩浸水弱化的力学特性。工程围岩条件表明主平硐顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主,帮部为粉砂岩,其岩石组分、遇水弱化、外载作用下的承载性能均存在差异性。测试结果表明帮部岩体吸水能力较弱,但在高湿度养护后弹性模量发生显著降低;顶板岩体吸水能力较强,且与水反应后单轴抗压强度发生明显弱化。(3)建立了主平硐多采面扰动数值分析模型,揭示了主平硐围岩多次采动条件下围岩非对称变形失稳破坏特征。研究表明主平硐围岩变形破坏受工作面空间位置影响密切,根据巷道围岩变形特征及应力演化特征,提出主平硐“关键承载层”概念,确定左帮及顶板到“关键承载层”的临界深度分别为4m和3m,由于右帮侧距离工作面空间位置较远,在右帮2m深处处围岩呈现出相对稳定性。(4)根据巷道围岩浸水弱化特征及“关键承载层”临界深度,以厚锚固承载圈层构建、全长预应力锚固、非对称性跨界支护为技术内涵,提出了“深锚-浅注非对称强化控制技术”,以深部、浅部稳定承载圈层的构建,实现对非对称多采面扰动条件下水浸巷道的协调强化控制。(5)开展了小屯煤矿主平硐修复支护工业性试验,结合系统矿压监测数据表明修复效果良好。巷道表面位移监测、锚索受力监测、钻孔裂隙窥视等监测结果显示,修复后围岩整体变形量较小,锚索受力稳定,顶板及巷帮围岩完整程度高,验证了新技术方案的支护效果。该论文共有图96幅,表13个,参考文献95篇。
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