创新点
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煤矿掘采空间垮塌岩体稳定性与救援通道构建
摘要
煤矿地质动力灾害发生后,往往会造成掘采空间巷道发生垮塌堵塞,严重威胁煤矿井下工作人员安全。垮塌形成的松散破碎堆积体力学结构、堆积形态十分复杂,如何快速清理垮塌堆积体并构建救援通道是亟待解决的科学问题。在分析灾变垮塌体结构运移规律及救援通道构建研究现状和问题的基础上,针对垮塌堆积体堆堵机理复杂、扰动变形规律不明的特点,首先基于颗粒流数值模拟软件构建了垮塌堆积体二维计算模型,探究了在垮塌堆积体内部构建救援通道过程中颗粒的运动特征,明晰了其掘进扰动规律;其次分析了不同区域构建救援通道条件下堆积体内应力重分布特征,优选了救援通道在垮塌堆积体中的构建位置;最后根据垮塌堆积体的力学特征及堆积形 态,提出了一种新型救援通道快速构建方法。
结果表明:在构建救援通道掘进扰动的影响下,垮塌堆积体的岩体均有向开挖空间运动的趋势,距离开挖位置越远的区域受到扰动影响越小;垮塌堆积 体向开挖空间的二次塌落主要以垂直方向为主,水平方向次之;左下方开挖稳定后,垮塌堆积体呈"梯形",中下方开挖稳定后,垮塌堆积体呈“V”形。综合考虑救援通道构建的二次扰动影响、支护结构稳定性与垮塌堆积体物源结构,救援通道构建位置选择在垮塌堆积体中部区域为宜。
引言
结论
(1)在垮塌堆积体内部直接开挖结果表明,堆积体颗粒向开挖空间的塌落主要以垂直方向为主, 水平方向为次。距离开挖位置越远的颗粒受到采掘 扰动的影响越小,但整体上构成堆积体内部的颗粒均有向开挖空间运动的趋势。
(2)从救援通道的开挖构建减少对垮塌堆积体的扰动影响、有利于救援通道支护结构的稳定以及符合灾后垮塌堆积体物源结构的角度出发,通过建 立二维计算模型,确定了救援通道应该选择在垮塌 堆积体的中部区域。
(3)针对长距离垮塌松散破碎型巷道,提出了一种新型垮塌堵塞巷道内井下救援通道构建技术, 即中位小直径顶管技术。依托顶管法施工的基本原理,选用小直径钢管作为顶进管道,在垮塌堆积体中部位置顶进,从而快速安全高效地构建救援通道。
(4)针对灾变垮塌体垮堵机理、变形破坏自组 织特性与物理力学模型、多形式快速救援通道构建 方法的研究工作任重道远,煤矿垮塌灾变应急救援 理论基础与技术支撑并不完善,灾后应急救援技术研发体系的构建是今后主要研究方向。
部分图表
图 1 颗粒形成与堆积过程
图 2 不同粒径颗粒左下方开挖结果
图 3 不同粒径颗粒中下方开挖结果
图 4 多粒径颗粒位移监测散点
图 5 垮塌堆积体空间位置示意
图 6 救援通道位置选择示意
图 7 开挖前堆积体内部应力分布
图 9 中位小直径顶管示意
图 10 中位小直径顶管技术实施流程
李桂臣，男，1980年9月28日生，河北故城人，中国矿业大学能源资源战略发展研究院副院长，教授，博士生导师，博士后。国家级重点学科“采矿工程”学科青年学术带头人与优秀青年骨干教师，江苏省“青蓝工程”青年学术带头人，全国煤炭行业青年科技奖，中国煤炭工业协会科技创新领军人才，最美煤炭科技工作者。《煤炭学报》青年编委，《采矿与安全工程学报》编委。主持国家自然科学基金项目4项、国家重点研发计划项目子课题等科研项目30项；发表学术论文被SCI、EI检索80余篇，授权发明专利30余项，获江苏省科技进步一等奖、二等奖，中国煤炭工业协会科学技术二等奖等省部级等奖励20余项。
研究方向
岩体力学与岩层控制、智能掘进、地下空间工程
主要成果
致力于矿山岩体力学与岩层控制研究，在矿山巷道稳定控制方面取得创新成果，提出了微观晶胞-细观颗粒-宏观岩体的水岩耦合理念，开发了软弱岩体力学强度跨尺度升级物理模型，创新揭示了软弱岩体多尺度力学响应特征及跨尺度关联机制；建立了软弱锚固岩体改性模型，首次提出了软弱煤岩锚固结构“三介质－两界面”多层次物理力学分析模型，构建了煤-浆固结体“两介质-三界面”承载性能强化细观模型，开发了深地高压旋喷破岩与注浆一体化装备；提出了松散煤岩体等效型煤原理，形成了巷道围岩流变变形智能预测技术，构建了软岩巷道梯级改性强化控制技术体系，支撑了复杂地质、强采动巷道安全维控与灾害治理重大科技创新工程。
