本書以潞安王莊煤礦在井下實施大斷面換裝硐室過程中出現(xiàn)的技術(shù)難題為對象，采用現(xiàn)場觀測、室內(nèi)實驗、理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的研究方法，提出了大斷面換裝硐室圍巖變形機理及支護技術(shù)，確保了大斷面換裝硐室在該礦的安全高效施工，本書對指導(dǎo)我國目前煤礦正在實施的大斷面換裝硐室的設(shè)計、施工以及生產(chǎn)安全管理具體十分重要的理論意義和工程實用價值。 本書是一部系統(tǒng)研究如何解決井下大斷面硐室設(shè)計與施工過程中出現(xiàn)的理論與技術(shù)難題的專著，研究內(nèi)容豐富，實踐性強，可供采礦、地質(zhì)、安全、地下工程等相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員、科研人員和高校師生參考使用。

近年來,隨著綜采設(shè)備制造技術(shù)的飛速發(fā)展,綜采設(shè)備走向了重型化和自動化的發(fā)展道路,從而有力地推動了我國煤礦大采高綜采技術(shù)的發(fā)展,但是采掘設(shè)備及運輸設(shè)備的高度機械化、大型化,隨之而來就是對巷道斷面的需求不斷加大,上述的變化對傳統(tǒng)煤礦的巷道斷面要求提出了許多新的挑戰(zhàn)。因此,我國許多采用大采高綜采工作面的煤礦為滿足井下大型設(shè)備組裝的需求,在井底車場附近設(shè)置了大斷面換裝硐室,上述換裝硐室斷面尺寸大部分在100m2 左右,由于煤礦埋藏深,圍巖壓力大以及圍巖破碎等特殊復(fù)雜條件,使上述大斷面硐室的圍巖變形機理和支護技術(shù)與普通大斷面隧道存在明顯差異,因此開展上述問題的研究已成為實現(xiàn)大采高工作面安全高效開采必須解決的首要課題。

本書以山西潞安集團王莊煤礦為研究背景,以為6.5m厚煤層大采高工作面服務(wù)的大型設(shè)備換裝硐室實施過程中遇到的大斷面硐室圍巖變形機理和支護技術(shù)等問題為出發(fā)點,采用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬計算以及方案實施效果觀測等綜合手段,解決了大斷面硐室施工中出現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題,實現(xiàn)了王莊煤礦在大斷面換裝硐室的成功施工并投入使用,為我國煤炭行業(yè)井下大斷面硐室的設(shè)計、施工、管理、安全技術(shù)等方面提供了成功的經(jīng)驗。

本書稿的完成和出版得到了中國礦業(yè)大學(xué)(北京)王家臣教授的指導(dǎo)和幫助,并認(rèn)真地審閱了本書的初稿,同時得到兄弟單位和同仁給予的大力支持,以及中國礦業(yè)大學(xué)馬占國教授、河理工大學(xué)李化敏教授、北方工業(yè)大學(xué)朱建明教授對本書的部分研究工作提供了幫助和指導(dǎo),在此一并表示衷心感謝。此外,本書的研究工作還得到了王莊煤礦等單位其他科研人員的支持和幫助,并參考了相關(guān)的項目研究報告以及文獻資料,在此謹(jǐn)向其他科研人員和文獻作者表示衷心的感謝。

井下大斷面換裝硐室是目前煤礦遇到的新的技術(shù)難題,由于作者水平所限,書中難免有不妥之處,敬請讀者批評指正。希望本書的出版能夠起到拋磚引玉的作用,為實現(xiàn)我國煤炭工業(yè)的安全高效生產(chǎn)做些貢獻。

作 者

2014年10月

1 緒論………………………………………………………………………………………… 1

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

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………… 2

1.2.1 巷道圍巖壓力理論研究現(xiàn)狀……………………………………………… 2

1.2.2 巷道支護理論研究現(xiàn)狀…………………………………………………… 3

1.3 圍巖穩(wěn)定原理與控制技術(shù)研究…………………………………………………… 8

1.3.1 巷道圍巖壓力及影響因素研究…………………………………………… 8

1.3.2 巷道圍巖控制原理與方法………………………………………………… 9

1.4 大斷面巷道圍巖穩(wěn)定控制難題…………………………………………………… 9

1.4.1 巷道影響帶增大…………………………………………………………… 9

1.4.2 支護難度加大……………………………………………………………… 10

1.4.3 施工難度加大……………………………………………………………… 10

1.5 大斷面換裝硐室在王莊礦中的應(yīng)用……………………………………………… 11

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

2 工程地質(zhì)條件分析………………………………………………………………………… 13

2.1 井田地質(zhì)條件分析………………………………………………………………… 13

2.2 生產(chǎn)地質(zhì)條件分析………………………………………………………………… 14

2.2.1 巷道布置狀況……………………………………………………………… 14

2.2.2 巖層賦存特征分析………………………………………………………… 15

2.2.3 巖石力學(xué)實驗……………………………………………………………… 16

2.2.4 地應(yīng)力分析………………………………………………………………… 17

2.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 17

3 圍巖穩(wěn)定性斷面尺寸效應(yīng)研究…………………………………………………………… 18

3.1 斷面尺寸效應(yīng)原理………………………………………………………………… 18

3.1.1 圍巖變形機制研究………………………………………………………… 18

3.1.2 硐室斷面尺寸對圍巖變形的影響機制…………………………………… 20

3.2 巷道斷面尺寸效應(yīng)數(shù)值模擬研究………………………………………………… 22

3.2.1 數(shù)值計算模型……………………………………………………………… 22

3.2.2 斷面尺寸對圍巖位移影響………………………………………………… 23

3.2.3 斷面尺寸對圍巖塑性區(qū)特征影響………………………………………… 25

3.2.4 斷面尺寸對圍巖應(yīng)力影響………………………………………………… 27

3.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 27

4 硐室圍巖應(yīng)力計算分析…………………………………………………………………… 32

4.1 圍巖壓力分類……………………………………………………………………… 32

4.1.1 松散壓力…………………………………………………………………… 32

4.1.2 形變壓力…………………………………………………………………… 32

4.1.3 沖擊壓力…………………………………………………………………… 33

4.1.4 膨脹壓力…………………………………………………………………… 33

4.2 影響圍巖壓力的因素……………………………………………………………… 33

4.2.1 地質(zhì)因素…………………………………………………………………… 33

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

4.3 軸對稱條件下圍巖應(yīng)力與變形的彈塑性分析…………………………………… 35

4.3.1 假定塑性區(qū)C、φ值為常數(shù)………………………………………………… 35

4.3.2 黏結(jié)力C沿塑性區(qū)深度下降時塑性區(qū)的應(yīng)力方程及其半徑……………… 40

4.4 圍巖形變壓力計算………………………………………………………………… 42

4.4.1 λ=1圓形巷道形變壓力的解析計算法………………………………… 42

4.4.2 巷道形變壓力的數(shù)值計算方法…………………………………………… 45

4.5 圍巖松散壓力計算………………………………………………………………… 45

4.5.1 淺埋巷道上松散壓力傳統(tǒng)計算方法……………………………………… 45

4.5.2 淺埋硐室上松散壓力修正計算方法……………………………………… 48

4.5.3 深埋硐室上松散壓力傳統(tǒng)計算方法……………………………………… 49

4.5.4 側(cè)向圍巖壓力的傳統(tǒng)計算方法…………………………………………… 49

4.6 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 50

5 大斷面硐室圍巖破壞機理研究…………………………………………………………… 51

5.1 支架換裝硐室圍巖破壞類型……………………………………………………… 51

5.1.1 松動破壞…………………………………………………………………… 51

5.1.2 拉斷破壞…………………………………………………………………… 52

5.1.3 剪切破壞…………………………………………………………………… 53

5.1.4 巖爆破壞…………………………………………………………………… 53

5.1.5 膨脹變形…………………………………………………………………… 53

5.2 支架換裝硐室底板底鼓破壞類型………………………………………………… 54

5.2.1 膨脹型底鼓………………………………………………………………… 54

5.2.2 壓力型底鼓………………………………………………………………… 54

5.3 支架換裝硐室圍巖破壞機理分析………………………………………………… 55

5.3.1 斷面尺寸因素……………………………………………………………… 55

5.3.2 圍巖性質(zhì)因素……………………………………………………………… 55

5.3.3 圍巖應(yīng)力因素……………………………………………………………… 56

5.3.4 支護結(jié)構(gòu)因素……………………………………………………………… 56

5.4 支架換裝硐室底板底鼓破壞機理分析…………………………………………… 56

5.5 鄰近巷道對大斷面硐室圍巖穩(wěn)定性影響分析…………………………………… 57

5.5.1 數(shù)值計算模型……………………………………………………………… 57

5.5.2 數(shù)值計算結(jié)果分析………………………………………………………… 59

5.6 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 66

6 大斷面硐室圍巖控制機理研究…………………………………………………………… 68

6.1 大斷面硐室圍巖穩(wěn)定控制原則…………………………………………………… 68

6.2 錨噴支護作用原理………………………………………………………………… 69

6.2.1 錨桿支護作用原理………………………………………………………… 69

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

6.2.3 錨噴支護的力學(xué)原理……………………………………………………… 69

6.2.4 鋼筋網(wǎng)的作用原理………………………………………………………… 70

6.2.5 噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護作用原理………………………………………………… 71

6.3 高預(yù)應(yīng)力錨桿支護理論和作用機理……………………………………………… 71

6.3.1 高預(yù)應(yīng)力錨桿支護理論…………………………………………………… 71

6.3.2 高預(yù)緊力錨桿支護作用機理……………………………………………… 71

6.4 錨索及注漿錨索支護作用原理…………………………………………………… 72

6.4.1 錨索支護作用原理………………………………………………………… 72

6.4.2 注漿錨索支護作用原理…………………………………………………… 73

6.5 協(xié)同錨固對大斷面硐室圍巖控制作用…………………………………………… 75

6.5.1 協(xié)同錨固的基本特征……………………………………………………… 76

6.5.2 協(xié)同錨固系統(tǒng)的構(gòu)成……………………………………………………… 76

6.6 協(xié)同錨固作用機理………………………………………………………………… 77

6.6.1 錨桿(索)系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同作用…………………………………………… 77

6.6.2 錨桿(索)系統(tǒng)與圍巖系統(tǒng)的協(xié)同錨固…………………………………… 78

6.7 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 80

7 大斷面硐室圍巖控制技術(shù)研究…………………………………………………………… 82

7.1 支護方案的提出…………………………………………………………………… 82

7.1.1 支護方案一………………………………………………………………… 82

7.1.2 支護方案二………………………………………………………………… 83

7.1.3 支護方案三………………………………………………………………… 86

7.2 支架換裝硐室支護方案的確定…………………………………………………… 88

7.2.1 設(shè)計方案的選擇…………………………………………………………… 88

7.2.2 錨桿參數(shù)的確定…………………………………………………………… 90

7.2.3 錨索參數(shù)的確定…………………………………………………………… 93

7.2.4 支護材料…………………………………………………………………… 94