沿空留巷滞后段煤帮采动破坏机理及注浆重构技术

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深井条件下沿空留巷围岩在侧向顶板旋转下沉的扰动之下长期处于高速变形状态,在老顶结构稳定之后仍表现出长时流变现象。巷道围岩收敛呈现出煤帮大变形以及强烈底鼓的显著非均称特征,煤帮侧变形量占两帮移近量的80%以上。煤帮与支护结构的承载性能是沿空留巷滞后段围岩稳定性的关键所在。论文采用理论分析、实验室测试、数值模拟、工业性试验等多种手段分析了沿空留巷滞后段煤帮破坏特征与支护结构失效机制,研究了破裂煤体注浆固结承载性能及其变形、再破坏特征,在分析煤帮裂隙演化及随机张开度裂隙中浆液渗流规律基础之上采用沿空巷道围岩稳定性动态模拟方法优化煤帮注浆时机,提出了沿空留巷采动破碎煤帮重构关键技术并成功应用于工业性试验。取得了如下研究成果:(1)基于极限平衡原理并考虑煤体的应变软化特征进行的理论分析证明锚注加固可以显著减小煤帮损伤深度,其中影响最大的两个因素是加固区宽度的增加及煤帮整体单轴压缩残余强度的提高。理论分析表明采动应力使煤体内产生大量的裂隙并逐步扩展,导致锚固剂与围岩黏结界面脱黏并逐级向裂隙两侧延伸,锚固体的轴向应力呈类指数形式下降。(2)破碎煤体注浆固结体单轴抗压强度与固结前的峰后状态残余强度相比有大幅提高,较完整试件抗压强度有所恢复。当水灰比为0.8时P.O42.5硅酸盐水泥、超细水泥、美固364三种注浆固结体的固结系数与强度恢复系数平均为2.55、2.15、5.28及31.43%、57.11%、85.51%。注浆使得破碎围岩的延展性增加,有更强的抗变形能力和可塑性。围压、浆液与破裂面之间的粘结强度是影响固结体的承载能力与再破坏发生位置的关键因素。(3)通过沿空留巷围岩稳定性动态模拟方法研究浆液可注入范围与采动影响各阶段之间的关系。研究结果表明巷道表面位移与浆液可注入范围发展规律高度一致,可以作为判别注浆时机的参考标准。结合钻孔窥视结果得出,在工作面前后采动影响剧烈段,围岩裂隙张开度急剧增加,巷道围岩可注入性能也迅速增大,当巷道围岩浅部破碎区尚未扩展超过锚杆锚固范围时应及时对巷道围岩进行注浆加固。(4)提出了沿空留巷滞后段煤帮稳定性控制技术原则:①巷道全断面整体控制、煤帮区域加强支护;②动态加固、合理优化各种支护手段施工时机;③锚注结合,通过注浆固结破碎围岩并修复受损锚固体;④及时修复大变形巷道,防止围岩流变失稳。总结形成锚注一体、注浆固结破碎煤帮、帮部锚索梁(桁架)、大变形沿空留巷高强度主动锚固修复等多项帮部围岩控制关键技术手段。(5)研究成果在潘一东矿1252(1)工作面、谢桥矿12418工作面、朱集矿1111(1)工作面三个沿空留巷工程中得到成功应用。
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