堅硬頂板高應力巷道結構性大變形機理及穩定性控制技術

研發起止時間：2018.1~2021.4

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司、中國礦業大學、晉能控股山西科學技術研究院有限公司

成果水平：國際領先

1 項目背景

晉能控股煤業集團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、已掘的廢棄巷道以及殘留的煤柱，局部存在高應力集中區域。2#煤層與3#煤層之間巖層巖性為細砂巖及砂質泥巖。上覆2#煤層殘留煤柱受上覆巖層懸板影響承受高集中應力，并通過2#及3#煤層層間巖層向下傳播，在3#煤層回采過程中小煤柱巷道承受高集中應力疊加強動壓影響，巷道頻繁發生大變形及冒頂災害。為此亟須開展“堅硬頂板高應力巷道結構性大變形機理及穩定性控制技術”課題，有效解決堅硬頂板高應力巷道結構性大變形支護難題，使巷道支護更加規范、安全。

2 研究內容

（1）研究獲得了巷道圍巖結構性大變形災害發生演化全過程，分析了巷道圍巖破裂網絡發育力學機制，明晰了高應力結構性大變形巷道碎脹、滑移、旋轉及彎折變形模式，推導得到了圍巖碎脹、滑移以及彎折變形表達式，揭示了圍巖結構性大變形機理。

（2）研發了巷道圍巖恒剛度約束剪切系統，開展了完整及裂隙試樣恒剛度及等法向力直剪試驗，研究了初始法向力及邊界條件對巖石剪切力學行為的影響規律，建立了法向恒剛度邊界條件下的抗剪強度與峰值剪脹率關系，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機制，揭示了三維粗糙節理面法向恒剛度約束下剪脹變形機理。

（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，研究獲得了錨桿直徑、密度對圍巖變形、強度影響規律，建立了錨桿對巖石內聚力和內摩擦角的作用效果表達式，揭示了錨固承載圈對主承載區圍巖約束加固效應機制，明晰了錨桿抗剪阻滑控制機理，提出了結構性大變形巷道阻剪抗滑閉環均壓控制方法。

（4）開展了不同結構特征變形模塊吸能壓縮試驗，優選高吸能比模塊結構，獲得了材質、壁厚、結構特征與索體最優匹配關系，優化了變形吸能模塊制作工藝，研發了高吸能比、抗剪切、抗沖擊、抗大變形、允許變形可調、可顯示圍巖變形的新型錨索及配套高強度托盤。

3 主要研究成果

（1）研究獲得了高應力均質圍巖巷道及堅硬頂板巷道圍巖裂隙發育及塊體運移規律，明晰了圍巖高應力結構性大變形巷道碎脹、滑移、旋轉及彎折變形模式，推導得到了圍巖碎脹、滑移以及彎折變形表達式，揭示了高應力巷道圍巖結構性大變形機理。巷道圍巖破壞變形及塊體運移如圖1所示。

圖1 巷道圍巖破壞變形及塊體運移

（2）明晰了法向恒剛度約束巖石剪切力學特性與剪脹大變形機制

自主研發了法向恒剛度約束巖石直剪試驗系統（如圖2所示），開展了完整及裂隙試樣恒剛度及等法向力直剪試驗，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機制，確定了三階段剪切強度表達式，獲得了三軸壓縮試驗、等法向力直剪試驗以及恒剛度直剪試驗方法對巖石剪切強度、內聚力及內摩擦角的影響規律，明晰了法向恒剛度約束條件下巖石剪切力學機制。

圖2 法向恒剛度約束巖石直剪試驗系統

（3）開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，獲得了初始法向力、截面含鋼率對圍巖峰值及殘余強度定量強化規律，表征了錨桿劈裂導軌效應，提出了不同截面含鋼率條件下錨固體內聚力強化、內摩擦角弱化表達式，揭示了法向恒剛度約束條件下錨桿對圍巖的定量作用機制。

（4）研發了高吸能比抗剪升阻大變形錨索

開展了不同結構特征變形模塊吸能壓縮試驗，優選了高吸能比模塊結構，獲得了材質、壁厚、結構特征與索體最優匹配關系，優化了變形吸能模塊制作工藝，研發了高吸能比、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度托盤。法向恒剛度約束直剪試驗錨桿導軌效應及錨固強化作用如圖3所示。

圖3 法向恒剛度約束直剪試驗錨桿導軌效應及錨固強化作用

4 應用效益

項目研究成果在晉能控股煤業集團有限公司臨汾宏大洪崖煤礦進行了現場應用，降低了支護成本，相比原有支護方案更為安全高效，巷道穩定性得到有效控制，取得了良好經濟和社會效益。研究成果可為礦區其他相近條件巷道穩定性控制提供參考，具有良好的推廣前景。

本項目于2021年4月29日通過了中國煤炭工業協會組織的專家鑒定，研究成果達到國際領先水平。