《采动巷道顶板塑性区穿透致冒机理与控制技术》

1.研究背景与意义:由于巷道冒顶事故具有较高的隐蔽性、突发性和高度危险性,给人们带来了巨大的精神压力、心理恐惧和财产损失。采动巷道绝大部分开掘在煤层中,且多为复合顶板特点,靠近扰动源,导致大量巷道围岩变形剧烈、支护体失效严重,冒顶事故时有发生。究其原因,一是“采动巷道冒顶机理认识不清晰”,对采动巷道应力环境认识不系统,缺乏从力学本质上对冒顶机理的深入研究,对巷道受到采动影响以后的复合顶板不规则破坏形态尚不能细致解释和预测,难以采取针对性的顶板控制设计方法和技术;二是“大变形采动巷道冒顶控制手段匮乏”,缺乏系统的冒顶控制技术体系,造成了在一般巷道锚索滥用支护过度的同时,大变形巷道因锚索破断失效而频发冒顶事故的尴尬局面。

为了解决上述难题,在研究采动巷道应力场矢量特征的基础上,获得了采动巷道复合顶板塑性区分布规律,发现了塑性区穿透分布特性,进一步揭示了采动巷道冒顶机理,提出了巷道顶板层次控制方法,研发了高延伸性组合锚索以及可快速修复围岩的注浆材料,消除了冒顶隐患,大幅度降低了支护成本。

2.项目主要技术内容:

(1)掌握了塑性区在巷道复合顶板中的分布规律,从理论上论证了塑性区在复合顶板岩层中具有穿透特性,获取了穿透塑性区的产生条件,并通过数值模拟分析、现场探测进行了验证。

(2)揭示了采动巷道复合顶板穿透塑性区致使冒顶的机理,阐明了顶板深部软弱夹层塑性区穿透分布致使下位坚硬岩层发生断裂失稳是冒顶的内在原因。

(3)建立了以高延伸性锚杆(索)为主导的顶板层次支护体系,研发了高延伸性组合锚索以及可快速修复围岩的注浆材料,有效保障了顶板整体稳定。

(4)针对于采动巷道松软顶板高强锚索支护力利用率低下的问题,提出了高强锚索锚固增效方法,研发了配套装置,确保了高强锚索支护力的充分发挥。

(5)从巷道围岩主应力大小、比值、方向三个层面定量分析了釆动叠加应力环境,掌握了采动空间不同位置的主应力大小、比值、方向的差异性矢量特征。

3.知识产权情况:研究成果共授权发明专利6项、实用新型专利2项、软件著作权2项;发表核心以上论文7篇,其中SCI收录3篇,EI收录4篇;出版专著1部。

4.技术经济指标:

(1)准确判别巷道顶板危险层位的厚度、深度等关键信息,并预测冒顶高度。

(2)巷道服务期间,锚索锚固失效率低于3%,减少补打常规锚索60%以上。

(3)高延伸性组合锚索延伸率是常规锚索的1倍以上,且延伸长度不低于300mm。

(4)注浆材料可快速修复围岩,便于泵送,单轴抗压强度不低于60MPa,可大幅提升构造区围岩强度。

5.推广应用情况:项目研究成果已在河南省、山西省等地区多个矿井进行了推广应用,保障了巷道安全,每米巷道综合成本降低600~1700元,提高了施工速度与工效。据不完全统计,近3年应用该技术的矿井在保障巷道安全的同时,共创造经济效益15260.12万元,在矿山、交通、水利等领域亦具有广阔的应用前景。

成果说明

(1)项目研究成果已在河南省、山西省、山东省、四川省等13个矿井和生产企业进行了推广应用,对于保障巷道安全、降低支护成本具有显著效果。应用该成果对多个矿井巷道支护形式进行了优化,成功进行了巷道冒顶危险区预测和控制,每米巷道综合成本降低600~1700元,提高了施工速度与工效,杜绝了冒顶事故的发生。 (2)项目核心技术之一高强锚索锚固增效方法所涉发明专利“一种锚索锚固增效方法及其结构”,经过筛选,选择了济宁山云宇内机电科技有限公司作为该专利的许可实施的第一家单位,签订了120万元的专利实施许可合同,产品生

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