大埋深强矿压扰动下窄煤柱支护加固机理及应用研究

摘要

针对大埋深高地应力环境中三软煤层沿空巷道围岩变形及破坏问题，采用理论分析、室内相似模拟试验与现场试验相结合的方法，深入研究了窄煤柱及实体煤的力学响应和围岩变形规律，并提出符合实际工况的加固支护方案.通过构建窄煤柱沿空巷道帮部力学模型，推导巷帮应力与位移的解析解，结合工况分析得出窄煤柱帮稳定性受支护阻力及顶板下沉影响显著；自主研制用于相似模拟试验的巷道锚网索支护预制模型，基于优化支护方案开展模拟试验，结合数字图像技术解析围岩位移及变形演化特征，并通过现场监测验证了优化方案的可靠性.研究表明：窄煤柱帮的稳定性显著受支护阻力和顶板下沉的控制，计算得到窄煤柱靠近巷道一侧及实体煤帮的塑性区宽度分别为2.11和0.60 m,最大位移量分别为1.00和0.62 m;原2.6 m锚杆支护方案无法有效加固窄煤柱.窄煤柱帮的变形随支护阻力变化明显，与支护阻力呈反比关系，适当提高支护阻力可显著抑制变形.现场监测显示，优化支护方案后，煤柱帮与实体煤帮的最大收敛量分别为0.81和0.38 m,顶板最大下沉量为0.70 m,补强锚索与巷道中心木点柱对两帮及顶板起到稳定作用，有效控制了围岩变形.掘进初期锚索受力逐步增加，受采掘多重应力扰动后，锚索工作载荷快速增长，但最大轴力低于其极限破断载荷，表明支护系统具备安全冗余.

关键词

大埋深 / 多重扰动 / 窄煤柱加固 / 沿空巷道支护 / 相似模拟 / 工程应用

基金资助

国家自然科学基金面上项目(51874229); 陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2020JZ-52)