高偏应力煤巷围岩拉剪破裂特征及分区控制方法研究
作者：
高永格, 徐振铭, 洛锋, 陈振, 王鹏, 李盟, 高帅, 何团
作者单位：
1. 河北工程大学 矿业与测绘工程学院, 河北 邯郸 056038;
2. 河北省煤炭矿井建设技术创新中心, 河北 邯郸 056038;
3. 邯郸市深部巷道围岩控制及灾害防治重点实验室, 河北 邯郸 056038;
4. 中国煤炭工业协会, 北京 100028;
5. 煤炭科学研究总院有限公司, 北京 100013
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摘要
为获得高偏应力巷道围岩拉剪破裂特征并提出优化支护方案，以山西某矿孤岛工作面为背景，采用理论分析、数值模拟、相似模拟相结合的研究手段，分析了高偏应力条件下巷道围岩拉剪破裂分布特征及演化规律，揭示了托顶煤巷道围岩拉剪破裂机制，提出了高偏应力条件下巷道围岩沿掘进方向的全长分区控制方法。研究结果表明：(1)当侧压系数λ为0.60时，巷道围岩两帮呈“楔形”破坏，顶底出现明显卸荷并在巷道围岩四角点处产生应力集中；侧压系数λ逐渐减小至0.24的过程中，巷道围岩以两帮破坏为基础，在剪切应力作用下“蝶叶”逐渐发育，并最终形成蝶形破裂。(2)开挖破坏区围岩的浅部存在拉剪混合破裂区域，以张拉破裂为主；围岩深部为剪切破裂。围岩破裂演化过程可划分为3个阶段，分别为环自由面的自身破坏阶段、“蝶叶”孕育扩展阶段和“蝶叶”扩展稳定阶段。(3)定义了基于巷道全长分区的应力阈值，提出了掘进巷道全长分区支护方法，可为后续采煤工作面巷道的差异化支护提供理论参考。
图片
图 1 2202 工作面概况及岩层柱状
图 2 有限元三维模型示意
图 3 2202 工作面三侧采空垂直应力分布
图 4 巷道全长应力分区、监测点布置及垂直应力曲线
图 5 巷道离散单元法网格划分示意
图 6 不同侧压系数下巷道围岩拉剪破裂分布
图 7 不同侧压系数下最大主应力分布特征
图 8 巷道围岩拉剪破裂特征
图 9 平面应变试验台
图 10 高偏应力托顶煤巷道围岩破裂相似模拟试验结果
图 11 巷道围岩拉剪破裂特征概念化模型
图 12 围岩拉剪破裂可控区域原支护锚杆、锚索布置及建模
图 13 围岩拉剪破裂可控区域无支护与原支护效果对比
图 14 围岩拉剪破裂严重区域无支护与原支护效果对比
图 15 围岩拉剪破裂严重区域优化支护锚杆、锚索布置及建模
图 16 巷道围岩拉剪破裂严重区域原支护与优化支护效果对比
图 17 巷道围岩全长分区支护方法
作者简介
高永格（1969—），河北元氏人，博士，教授，1992年毕业于河北煤炭建筑工程学院采矿工程专业，2017年6月毕业于中国矿业大学（北京），主要研究方向为矿山压力及岩层控制、开采方法及沉陷控制。作为第2主研人完成的《煤矿采空区瓦斯爆炸地点的预测预报研究》获河北省科技进步奖三等奖，作为主持人完成的《“采矿工程”国家级特色专业的建设实践》获河北省优秀教学成果三等奖，主持完成河北省自然科学基金项目“瓦斯爆炸致灾机理及破坏规律研究”，发表论文40余篇。
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