沿空留巷長期擾動(dòng)變形規(guī)律與卸壓機(jī)理研究

采空區(qū)覆巖分次垮落擾動(dòng)是沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的關(guān)鍵誘因。課題采用理論分析、物理模擬及數(shù)值計(jì)算等方法，研究了采空區(qū)頂板多關(guān)鍵層分次垮落對(duì)沿空留巷的長期擾動(dòng)機(jī)理，探索了頂壓漸增期間碎脹矸石的壓實(shí)效應(yīng)與斷裂頂板的隨動(dòng)特性，闡述了關(guān)鍵層預(yù)裂卸壓效應(yīng)與沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制原理。兩帶內(nèi)的關(guān)鍵層分次垮落對(duì)沿空留巷的擾動(dòng)周期、充填墻體的承載大小和巷道變形具有顯著影響。覆巖分次垮落期間在頂板主離層和巷道的隔離之下出現(xiàn)兩次應(yīng)力分流，經(jīng)由采空區(qū)側(cè)向楔形承載區(qū)向下傳遞，在巷道兩側(cè)形成“應(yīng)力雙峰”，沿空留巷呈現(xiàn)出波動(dòng)性擾動(dòng)變形?！皟蓭А眱?nèi)主控關(guān)鍵層垮落后，老頂?shù)淖冃位具_(dá)到最大值，得出了關(guān)鍵層斷裂時(shí)機(jī)和擾動(dòng)周期的判定方法。關(guān)鍵層的下沉量由垮落前的撓曲下沉、垮落期間的旋轉(zhuǎn)下沉和垮落后的壓縮下沉三部分組成，下沉量各占15%、55%和30%，矸石的壓實(shí)效應(yīng)延長了沿空留巷的擾動(dòng)周期，但隨著時(shí)間延續(xù)來壓強(qiáng)度逐漸減弱。采空區(qū)側(cè)向頂板預(yù)裂卸壓能夠加速堅(jiān)硬老頂?shù)钠茢噙\(yùn)動(dòng)并有效緩解留巷頂板的壓力，卸壓后側(cè)向支承應(yīng)力區(qū)向淺部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值有一定程度的降低，留巷圍巖變形得到明顯改善，提出了側(cè)向頂板的卸壓判據(jù)和懸臂長度的優(yōu)化方法。提出了常規(guī)條件下的沿空留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制對(duì)策，包括“雙層”主動(dòng)錨固支護(hù)、強(qiáng)度動(dòng)態(tài)匹配的巷旁充填以及擾動(dòng)期間的輔助支護(hù)3項(xiàng)，以及特殊條件下的“卸壓-錨固”雙重主動(dòng)控制技術(shù)，形成了沿空留巷“頂板結(jié)構(gòu)可控、圍巖應(yīng)力可調(diào)、擾動(dòng)周期縮短、巷道變形改善”的主動(dòng)控制效果。在兩個(gè)典型采煤工作面展開了沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn)，從不同角度驗(yàn)證了研究結(jié)論。課題研究成果可為我國煤礦極其復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件下展開無煤柱沿空留巷實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。 2100433B

采場覆巖垮落形成的長時(shí)間劇烈擾動(dòng)是沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的關(guān)鍵誘因。課題擬采用理論分析、物理模擬及數(shù)值計(jì)算等方法，深入研究采場覆巖分次垮落對(duì)沿空留巷的間歇性擾動(dòng)規(guī)律，探索頂壓漸增期間碎脹矸石的壓實(shí)效應(yīng)與斷裂頂板的隨動(dòng)特性，結(jié)合巷道頂板傳遞載荷的能力，闡述頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)沿空留巷的長期施載機(jī)理；提出以沿空留巷側(cè)向頂板預(yù)裂卸壓為核心的主動(dòng)控制方法，通過巖層預(yù)裂手段改變頂板的斷裂時(shí)機(jī)和斷裂位置，從而縮短頂板的擾動(dòng)周期并降低頂板的附加應(yīng)力；揭示預(yù)裂孔兩側(cè)斷裂塊體的結(jié)構(gòu)關(guān)系對(duì)沿空留巷卸壓效果的影響規(guī)律，形成預(yù)裂卸壓效果的評(píng)價(jià)方法；聯(lián)系長時(shí)緩增壓狀態(tài)下巖體的承載性能，闡明卸壓區(qū)圍巖與錨固支護(hù)的協(xié)調(diào)承載機(jī)理。研究成果可為深部等復(fù)雜條件下的沿空留巷空間維控奠定基礎(chǔ)。

鉆孔卸壓具有轉(zhuǎn)移高應(yīng)力、改善巷道維護(hù)狀況、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但該方法的應(yīng)用會(huì)再次擾動(dòng)、弱化開挖卸荷后的煤巖體結(jié)構(gòu)，巷道（尤其深部巷道）維護(hù)難易與卸壓程度、支護(hù)時(shí)機(jī)等因素密切相關(guān)，合理控制卸壓程度、開發(fā)相應(yīng)控制技術(shù)是應(yīng)用鉆孔卸壓解決深部巷道支護(hù)難題的關(guān)鍵。為此，本課題主要開展以下內(nèi)容研究：（1）研究鉆孔卸壓煤巖體峰后損傷力學(xué)特性，揭示深部鉆孔卸壓巷道應(yīng)力場演化特征與強(qiáng)度損傷規(guī)律，為研究深部巷道鉆孔卸壓機(jī)理提供依據(jù)。（2）分析鉆孔卸壓對(duì)深部巷道圍巖穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)作用機(jī)理，確定深部巷道合理的鉆孔卸壓參數(shù)和適用條件，揭示深部巷道鉆孔卸壓機(jī)理。（3）建立深部鉆孔卸壓巷道錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)的流變-損傷力學(xué)模型，揭示鉆孔卸壓與錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的時(shí)效性與穩(wěn)定控制機(jī)理，確定合理卸壓程度、相應(yīng)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)和時(shí)機(jī)，為研究深部巷道圍巖鉆孔卸壓-支護(hù)方法提供依據(jù)。

深部高應(yīng)力巷道圍巖穩(wěn)定控制問題嚴(yán)重影響著深部煤炭資源的安全高效開采，卸壓技術(shù)是控制該類巷道圍巖大變形的有效方法之一，但其缺乏完整的技術(shù)體系。本文綜合運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)等方法，系統(tǒng)研究了深部巷道鉆孔卸壓機(jī)理與圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，取得如下研究成果： （1）采用室內(nèi)加卸載試驗(yàn)的方法，將巖樣加載至峰后應(yīng)變軟化段各目標(biāo)點(diǎn)后卸載，獲取了不同損傷程度的初始損傷巖樣，采用多級(jí)圍壓多次峰值屈服試驗(yàn)方法測定了初始損傷巖樣的力學(xué)參數(shù)，選取塑性剪切應(yīng)變 表征巖樣的損傷變量，擬合得到 與損傷巖樣強(qiáng)度參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，初步建立了深部巷道圍巖強(qiáng)度衰減模型。 （2）建立了圍巖塑性擴(kuò)容變形與卸壓鉆孔參數(shù)間的關(guān)系，并分析了卸壓鉆孔單孔作用范圍，初步提出了卸壓鉆孔參數(shù)的理論確定依據(jù)。系統(tǒng)研究了卸壓鉆孔方位、卸壓時(shí)機(jī)及鉆孔參數(shù)（長度、直徑和間排距）對(duì)深部巷道圍巖穩(wěn)定性的作用規(guī)律，提出了影響鉆孔卸壓效果的各因素的確定原則。 （3）分析了不同卸壓程度下深部鉆孔卸壓巷道圍巖的流變特征，研究了不同二次支護(hù)時(shí)機(jī)、二次錨注強(qiáng)度及范圍對(duì)巷道圍巖流變變形的控制效果，確定了試驗(yàn)巷道合理的二次錨注強(qiáng)度及范圍。 （4）研究了卸壓鉆孔與巷道一次支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的相互作用關(guān)系，提出了深部巷道圍巖“卸壓-支護(hù)”控制技術(shù)體系。 （5）結(jié)合張雙樓礦-1000m西大巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件，展開了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。現(xiàn)場應(yīng)用表明，巷道采用“卸壓-支護(hù)”技術(shù)后，可有效轉(zhuǎn)移巷道圍巖周邊高應(yīng)力，消除支護(hù)結(jié)構(gòu)的非協(xié)調(diào)受力現(xiàn)象，促使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成統(tǒng)一、均衡的承載結(jié)構(gòu)，共同抵抗圍巖的劇烈變形，同時(shí)，該技術(shù)方案簡單易行，可在類似條件下的深部巷道圍巖控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用。 2100433B

本項(xiàng)目緊緊抓住高地應(yīng)力和復(fù)雜動(dòng)力擾動(dòng)這兩項(xiàng)巖爆孕育和觸發(fā)的關(guān)鍵因素，致力于研究并揭示綜合考慮這兩項(xiàng)關(guān)鍵因素的巖爆動(dòng)力學(xué)機(jī)理和能量釋放機(jī)制。發(fā)展基于分離式霍普金森壓桿的圍壓-動(dòng)靜組合加載新裝置，開展巖石在無圍壓以及不同圍壓下、正入射以及不同斜入射角度下的復(fù)雜動(dòng)力擾動(dòng)巖爆試驗(yàn)，研究試樣破斷和能量傳遞耗散規(guī)律，以及復(fù)雜動(dòng)力擾動(dòng)下動(dòng)靜組合巖爆動(dòng)力學(xué)機(jī)理和災(zāi)變判據(jù)。結(jié)合高應(yīng)力地下洞室開挖爆破工程進(jìn)行微震監(jiān)測，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的巖爆動(dòng)力學(xué)機(jī)理和巖爆判據(jù)，揭示高應(yīng)力地下洞室?guī)r爆孕育和災(zāi)變過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)理與能量釋放機(jī)制。該研究對(duì)于巖爆動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理解釋及其防治，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。