堅(jiān)硬頂板高應(yīng)力巷道結(jié)構(gòu)性大變形機(jī)理及穩(wěn)定性控制技術(shù)

研發(fā)起止時(shí)間：2018.1~2021.4

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院有限公司

成果水平：國(guó)際領(lǐng)先

1 項(xiàng)目背景

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司洪崖煤礦目前主采2#及3#煤層層間距平均10 m，為近距離煤層。3#煤層上覆為2#煤層小窯采空區(qū)、已掘的廢棄巷道以及殘留的煤柱，局部存在高應(yīng)力集中區(qū)域。2#煤層與3#煤層之間巖層巖性為細(xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖。上覆2#煤層殘留煤柱受上覆巖層懸板影響承受高集中應(yīng)力，并通過(guò)2#及3#煤層層間巖層向下傳播，在3#煤層回采過(guò)程中小煤柱巷道承受高集中應(yīng)力疊加強(qiáng)動(dòng)壓影響，巷道頻繁發(fā)生大變形及冒頂災(zāi)害。為此亟須開(kāi)展“堅(jiān)硬頂板高應(yīng)力巷道結(jié)構(gòu)性大變形機(jī)理及穩(wěn)定性控制技術(shù)”課題，有效解決堅(jiān)硬頂板高應(yīng)力巷道結(jié)構(gòu)性大變形支護(hù)難題，使巷道支護(hù)更加規(guī)范、安全。

2 研究?jī)?nèi)容

（1）研究獲得了巷道圍巖結(jié)構(gòu)性大變形災(zāi)害發(fā)生演化全過(guò)程，分析了巷道圍巖破裂網(wǎng)絡(luò)發(fā)育力學(xué)機(jī)制，明晰了高應(yīng)力結(jié)構(gòu)性大變形巷道碎脹、滑移、旋轉(zhuǎn)及彎折變形模式，推導(dǎo)得到了圍巖碎脹、滑移以及彎折變形表達(dá)式，揭示了圍巖結(jié)構(gòu)性大變形機(jī)理。

（2）研發(fā)了巷道圍巖恒剛度約束剪切系統(tǒng)，開(kāi)展了完整及裂隙試樣恒剛度及等法向力直剪試驗(yàn)，研究了初始法向力及邊界條件對(duì)巖石剪切力學(xué)行為的影響規(guī)律，建立了法向恒剛度邊界條件下的抗剪強(qiáng)度與峰值剪脹率關(guān)系，闡明了恒剛度條件下巖石起裂、剪切磨損、殘余滑移階段剪切力學(xué)機(jī)制，揭示了三維粗糙節(jié)理面法向恒剛度約束下剪脹變形機(jī)理。

（3）基于不同截面含鋼率條件下錨固體法向恒剛度約束直剪試驗(yàn)，研究獲得了錨桿直徑、密度對(duì)圍巖變形、強(qiáng)度影響規(guī)律，建立了錨桿對(duì)巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的作用效果表達(dá)式，揭示了錨固承載圈對(duì)主承載區(qū)圍巖約束加固效應(yīng)機(jī)制，明晰了錨桿抗剪阻滑控制機(jī)理，提出了結(jié)構(gòu)性大變形巷道阻剪抗滑閉環(huán)均壓控制方法。

（4）開(kāi)展了不同結(jié)構(gòu)特征變形模塊吸能壓縮試驗(yàn)，優(yōu)選高吸能比模塊結(jié)構(gòu)，獲得了材質(zhì)、壁厚、結(jié)構(gòu)特征與索體最優(yōu)匹配關(guān)系，優(yōu)化了變形吸能模塊制作工藝，研發(fā)了高吸能比、抗剪切、抗沖擊、抗大變形、允許變形可調(diào)、可顯示圍巖變形的新型錨索及配套高強(qiáng)度托盤。

3 主要研究成果

（1）研究獲得了高應(yīng)力均質(zhì)圍巖巷道及堅(jiān)硬頂板巷道圍巖裂隙發(fā)育及塊體運(yùn)移規(guī)律，明晰了圍巖高應(yīng)力結(jié)構(gòu)性大變形巷道碎脹、滑移、旋轉(zhuǎn)及彎折變形模式，推導(dǎo)得到了圍巖碎脹、滑移以及彎折變形表達(dá)式，揭示了高應(yīng)力巷道圍巖結(jié)構(gòu)性大變形機(jī)理。巷道圍巖破壞變形及塊體運(yùn)移如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞變形及塊體運(yùn)移

（2）明晰了法向恒剛度約束巖石剪切力學(xué)特性與剪脹大變形機(jī)制

自主研發(fā)了法向恒剛度約束巖石直剪試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖2所示），開(kāi)展了完整及裂隙試樣恒剛度及等法向力直剪試驗(yàn)，闡明了恒剛度條件下巖石起裂、剪切磨損、殘余滑移三階段剪切力學(xué)機(jī)制，確定了三階段剪切強(qiáng)度表達(dá)式，獲得了三軸壓縮試驗(yàn)、等法向力直剪試驗(yàn)以及恒剛度直剪試驗(yàn)方法對(duì)巖石剪切強(qiáng)度、內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，明晰了法向恒剛度約束條件下巖石剪切力學(xué)機(jī)制。

圖2 法向恒剛度約束巖石直剪試驗(yàn)系統(tǒng)

（3）開(kāi)展了不同截面含鋼率條件下錨固體法向恒剛度約束直剪試驗(yàn)，獲得了初始法向力、截面含鋼率對(duì)圍巖峰值及殘余強(qiáng)度定量強(qiáng)化規(guī)律，表征了錨桿劈裂導(dǎo)軌效應(yīng)，提出了不同截面含鋼率條件下錨固體內(nèi)聚力強(qiáng)化、內(nèi)摩擦角弱化表達(dá)式，揭示了法向恒剛度約束條件下錨桿對(duì)圍巖的定量作用機(jī)制。

（4）研發(fā)了高吸能比抗剪升阻大變形錨索

開(kāi)展了不同結(jié)構(gòu)特征變形模塊吸能壓縮試驗(yàn)，優(yōu)選了高吸能比模塊結(jié)構(gòu)，獲得了材質(zhì)、壁厚、結(jié)構(gòu)特征與索體最優(yōu)匹配關(guān)系，優(yōu)化了變形吸能模塊制作工藝，研發(fā)了高吸能比、抗剪切、抗沖擊、可顯示圍巖變形的新型大變形、升阻錨索及配套高強(qiáng)度托盤。法向恒剛度約束直剪試驗(yàn)錨桿導(dǎo)軌效應(yīng)及錨固強(qiáng)化作用如圖3所示。

圖3 法向恒剛度約束直剪試驗(yàn)錨桿導(dǎo)軌效應(yīng)及錨固強(qiáng)化作用

4 應(yīng)用效益

項(xiàng)目研究成果在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司臨汾宏大洪崖煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，降低了支護(hù)成本，相比原有支護(hù)方案更為安全高效，巷道穩(wěn)定性得到有效控制，取得了良好經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。研究成果可為礦區(qū)其他相近條件巷道穩(wěn)定性控制提供參考，具有良好的推廣前景。

本項(xiàng)目于2021年4月29日通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的專家鑒定，研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。