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本书以潞安王庄煤矿在井下实施大断面换装硐室过程中出现的技术难题为对象，采用现场观测、室内实验、理论分析和数值计算相结合的研究方法，提出了大断面换装硐室围岩变形机理及支护技术，确保了大断面换装硐室在该矿的安全高效施工，本书对指导我国目前煤矿正在实施的大断面换装硐室的设计、施工以及生产安全管理具体十分重要的理论意义和工程实用价值。 本书是一部系统研究如何解决井下大断面硐室设计与施工过程中出现的理论与技术难题的专著，研究内容丰富，实践性强，可供采矿、地质、安全、地下工程等相关专业的工程技术人员、科研人员和高校师生参考使用。

近年来,随着综采设备制造技术的飞速发展,综采设备走向了重型化和自动化的发展道路,从而有力地推动了我国煤矿大采高综采技术的发展,但是采掘设备及运输设备的高度机械化、大型化,随之而来就是对巷道断面的需求不断加大,上述的变化对传统煤矿的巷道断面要求提出了许多新的挑战。因此,我国许多采用大采高综采工作面的煤矿为满足井下大型设备组装的需求,在井底车场附近设置了大断面换装硐室,上述换装硐室断面尺寸大部分在100m2 左右,由于煤矿埋藏深,围岩压力大以及围岩破碎等特殊复杂条件,使上述大断面硐室的围岩变形机理和支护技术与普通大断面隧道存在明显差异,因此开展上述问题的研究已成为实现大采高工作面安全高效开采必须解决的首要课题。

本书以山西潞安集团王庄煤矿为研究背景,以为6.5m厚煤层大采高工作面服务的大型设备换装硐室实施过程中遇到的大断面硐室围岩变形机理和支护技术等问题为出发点,采用现场调查、室内试验、理论分析、数值模拟计算以及方案实施效果观测等综合手段,解决了大断面硐室施工中出现的关键技术问题,实现了王庄煤矿在大断面换装硐室的成功施工并投入使用,为我国煤炭行业井下大断面硐室的设计、施工、管理、安全技术等方面提供了成功的经验。

本书稿的完成和出版得到了中国矿业大学(北京)王家臣教授的指导和帮助,并认真地审阅了本书的初稿,同时得到兄弟单位和同仁给予的大力支持,以及中国矿业大学马占国教授、河理工大学李化敏教授、北方工业大学朱建明教授对本书的部分研究工作提供了帮助和指导,在此一并表示衷心感谢。此外,本书的研究工作还得到了王庄煤矿等单位其他科研人员的支持和帮助,并参考了相关的项目研究报告以及文献资料,在此谨向其他科研人员和文献作者表示衷心的感谢。

井下大断面换装硐室是目前煤矿遇到的新的技术难题,由于作者水平所限,书中难免有不妥之处,敬请读者批评指正。希望本书的出版能够起到抛砖引玉的作用,为实现我国煤炭工业的安全高效生产做些贡献。

作 者

2014年10月

1 绪论………………………………………………………………………………………… 1

1.1 研究背景及意义…………………………………………………………………… 1

1.2 国内外研究现状…………………………………………………………………… 2

1.2.1 巷道围岩压力理论研究现状……………………………………………… 2

1.2.2 巷道支护理论研究现状…………………………………………………… 3

1.3 围岩稳定原理与控制技术研究…………………………………………………… 8

1.3.1 巷道围岩压力及影响因素研究…………………………………………… 8

1.3.2 巷道围岩控制原理与方法………………………………………………… 9

1.4 大断面巷道围岩稳定控制难题…………………………………………………… 9

1.4.1 巷道影响带增大…………………………………………………………… 9

1.4.2 支护难度加大……………………………………………………………… 10

1.4.3 施工难度加大……………………………………………………………… 10

1.5 大断面换装硐室在王庄矿中的应用……………………………………………… 11

1.6 研究思路…………………………………………………………………………… 12

2 工程地质条件分析………………………………………………………………………… 13

2.1 井田地质条件分析………………………………………………………………… 13

2.2 生产地质条件分析………………………………………………………………… 14

2.2.1 巷道布置状况……………………………………………………………… 14

2.2.2 岩层赋存特征分析………………………………………………………… 15

2.2.3 岩石力学实验……………………………………………………………… 16

2.2.4 地应力分析………………………………………………………………… 17

2.3 本章小结…………………………………………………………………………… 17

3 围岩稳定性断面尺寸效应研究…………………………………………………………… 18

3.1 断面尺寸效应原理………………………………………………………………… 18

3.1.1 围岩变形机制研究………………………………………………………… 18

3.1.2 硐室断面尺寸对围岩变形的影响机制…………………………………… 20

3.2 巷道断面尺寸效应数值模拟研究………………………………………………… 22

3.2.1 数值计算模型……………………………………………………………… 22

3.2.2 断面尺寸对围岩位移影响………………………………………………… 23

3.2.3 断面尺寸对围岩塑性区特征影响………………………………………… 25

3.2.4 断面尺寸对围岩应力影响………………………………………………… 27

3.3 本章小结…………………………………………………………………………… 27

4 硐室围岩应力计算分析…………………………………………………………………… 32

4.1 围岩压力分类……………………………………………………………………… 32

4.1.1 松散压力…………………………………………………………………… 32

4.1.2 形变压力…………………………………………………………………… 32

4.1.3 冲击压力…………………………………………………………………… 33

4.1.4 膨胀压力…………………………………………………………………… 33

4.2 影响围岩压力的因素……………………………………………………………… 33

4.2.1 地质因素…………………………………………………………………… 33

4.2.2 工程因素…………………………………………………………………… 34

4.3 轴对称条件下围岩应力与变形的弹塑性分析…………………………………… 35

4.3.1 假定塑性区C、φ值为常数………………………………………………… 35

4.3.2 黏结力C沿塑性区深度下降时塑性区的应力方程及其半径……………… 40

4.4 围岩形变压力计算………………………………………………………………… 42

4.4.1 λ=1圆形巷道形变压力的解析计算法………………………………… 42

4.4.2 巷道形变压力的数值计算方法…………………………………………… 45

4.5 围岩松散压力计算………………………………………………………………… 45

4.5.1 浅埋巷道上松散压力传统计算方法……………………………………… 45

4.5.2 浅埋硐室上松散压力修正计算方法……………………………………… 48

4.5.3 深埋硐室上松散压力传统计算方法……………………………………… 49

4.5.4 侧向围岩压力的传统计算方法…………………………………………… 49

4.6 本章小结…………………………………………………………………………… 50

5 大断面硐室围岩破坏机理研究…………………………………………………………… 51

5.1 支架换装硐室围岩破坏类型……………………………………………………… 51

5.1.1 松动破坏…………………………………………………………………… 51

5.1.2 拉断破坏…………………………………………………………………… 52

5.1.3 剪切破坏…………………………………………………………………… 53

5.1.4 岩爆破坏…………………………………………………………………… 53

5.1.5 膨胀变形…………………………………………………………………… 53

5.2 支架换装硐室底板底鼓破坏类型………………………………………………… 54

5.2.1 膨胀型底鼓………………………………………………………………… 54

5.2.2 压力型底鼓………………………………………………………………… 54

5.3 支架换装硐室围岩破坏机理分析………………………………………………… 55

5.3.1 断面尺寸因素……………………………………………………………… 55

5.3.2 围岩性质因素……………………………………………………………… 55

5.3.3 围岩应力因素……………………………………………………………… 56

5.3.4 支护结构因素……………………………………………………………… 56

5.4 支架换装硐室底板底鼓破坏机理分析…………………………………………… 56

5.5 邻近巷道对大断面硐室围岩稳定性影响分析…………………………………… 57

5.5.1 数值计算模型……………………………………………………………… 57

5.5.2 数值计算结果分析………………………………………………………… 59

5.6 本章小结…………………………………………………………………………… 66

6 大断面硐室围岩控制机理研究…………………………………………………………… 68

6.1 大断面硐室围岩稳定控制原则…………………………………………………… 68

6.2 锚喷支护作用原理………………………………………………………………… 69

6.2.1 锚杆支护作用原理………………………………………………………… 69

6.2.2 喷射混凝土作用原理……………………………………………………… 69

6.2.3 锚喷支护的力学原理……………………………………………………… 69

6.2.4 钢筋网的作用原理………………………………………………………… 70

6.2.5 喷锚网联合支护作用原理………………………………………………… 71

6.3 高预应力锚杆支护理论和作用机理……………………………………………… 71

6.3.1 高预应力锚杆支护理论…………………………………………………… 71

6.3.2 高预紧力锚杆支护作用机理……………………………………………… 71

6.4 锚索及注浆锚索支护作用原理…………………………………………………… 72

6.4.1 锚索支护作用原理………………………………………………………… 72

6.4.2 注浆锚索支护作用原理…………………………………………………… 73

6.5 协同锚固对大断面硐室围岩控制作用…………………………………………… 75

6.5.1 协同锚固的基本特征……………………………………………………… 76

6.5.2 协同锚固系统的构成……………………………………………………… 76

6.6 协同锚固作用机理………………………………………………………………… 77

6.6.1 锚杆(索)系统内部的协同作用…………………………………………… 77

6.6.2 锚杆(索)系统与围岩系统的协同锚固…………………………………… 78

6.7 本章小结…………………………………………………………………………… 80

7 大断面硐室围岩控制技术研究…………………………………………………………… 82

7.1 支护方案的提出…………………………………………………………………… 82

7.1.1 支护方案一………………………………………………………………… 82

7.1.2 支护方案二………………………………………………………………… 83

7.1.3 支护方案三………………………………………………………………… 86

7.2 支架换装硐室支护方案的确定…………………………………………………… 88

7.2.1 设计方案的选择…………………………………………………………… 88

7.2.2 锚杆参数的确定…………………………………………………………… 90

7.2.3 锚索参数的确定…………………………………………………………… 93

7.2.4 支护材料…………………………………………………………………… 94