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《太原理工大学》 2012年
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回采巷道顶板切缝减小护巷煤柱宽度的技术基础研究

刘正和  
【摘要】:在开采煤炭过程中,为了保护巷道和管理采场顶板,常常留下各类煤柱,这些煤柱是造成地下资源损大的主要根源。特别是近些年来,在煤层顶板中存在一层或者数层较坚硬的岩层地质条件下,随着矿井机械化程度的提高,工作面采高的增加,采动影响范围越来越大,回采巷道煤柱上集中应力增加,分布范围增大,导致回采巷道护巷煤柱很大。对于高瓦斯矿井,为了满足安全生产的需要,工作面采用“两进两回”或“三进两回”的布置方式,为了减少巷道掘进率,其中一条或者两条回采巷道保留下来为下个工作面利用,免受工作面采动影响,一侧护巷煤柱宽度达到50m,这样导致回采巷道煤柱宽度问题更为突出,而这些煤柱又难以回收,导致采区回采率大幅下降,煤炭资源损失严重。因此,开展减小回采巷道护巷煤柱宽度的技术基础研究,是国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科学问题,有着重要的科学意义和广泛的应用前景。 护巷煤柱能否减小,取决于开采时工作面侧向应力集中的程度,而集中应力大小又取决于开采煤层的厚度、强度、煤层顶、底板岩层结构及其力学特性以及垮落后顶板形成的结构等因素。随着采高的增大,冒落的矸石难以充满采空区,顶板以一定角度向采空区倾斜,侧向集中应力增大,煤柱边缘煤体破坏,集中应力向煤体转移,导致煤柱宽度大幅增加;因此,能够保证安全、有效的减小煤柱的宽度,侧向集中应力控制尤为关键。根据开采引起集中应力分布规律,提出用预裂爆破切缝的方法转移开采引起煤柱集中应力(沿靠近工作面回采巷道顶板上方边缘垂直顶板切缝),即预裂爆破切缝弱化采动影响应力传递减小护巷煤柱宽度。本文针对赵庄煤矿的地质条件,采用理论分析、实验室模型试验、数值模拟计算的综合研究方法,对切缝前、后侧向顶板形成结构、垮落移动变形特征、围岩、侧向煤体应力分布规律等进行研究,获得如下主要结论: (1)当顶板未切缝时,垮落的矸石未能充满采空区,侧向顶板处于悬臂状态,此时顶板结构可简化为悬臂梁结构;当回采巷道顶板切缝并且垮落矸石充满采空区时,侧向顶板在矸石的支撑作用下可简化为多跨梁结构。 (2)根据侧向顶板的结构形式,通过受力分析,建立了侧向附加集中应力的力学模型,得出切缝前、后工作面侧向顶板运动在煤体中产生的集中应力计算公式:未切缝时: 切缝后(垮落的矸石充满采空区): (3)基于赵庄矿地质条件,采用相似模拟试验和数值模拟研究了不同切缝深度下顶板垮落特征,煤柱及上覆岩层应力分布变化规律。模拟结果表明,以切缝深度作为垮落角顶点,随着切缝深度的增加,垮落角逐渐减小。不切缝时,垮落角为61°,当切缝深度为15m时,垮落角为37°,切缝深度为20m时,垮落角为33°;随着切缝深度的增加,煤柱应力峰值和平均应力逐渐减小,峰值位置越靠近采空区边缘。与不切缝相比,当切缝深度为15m时,煤柱应力峰值与平均应力减小幅度最大,分别减小了46.5%和48.3%,之后随着切缝深度的增加,减小幅度较小 随着切缝深度的增加,煤柱应力峰值位置与回采巷道煤壁距离呈负指数规律减小,与工作面后方距离呈负对数规律减小;与煤柱平均应力呈负对数规律减小 (4)在煤柱上覆岩层,随着切缝深度的增加,应力峰值逐渐减小,岩层层位越低,应力峰值越大;在采空区上覆岩层靠近切缝边缘,其应力逐渐增加,岩层层位越高,应力越大。与不切缝相比,切缝深度为15m时,岩层应力峰值减小幅度较大,10m高处岩层应力峰值为15.8MPa,20m高处为14MPa,之后减小幅度较小;切缝深度达到30m时,1Om高处岩层应力峰值为15MPa,20m高处岩层应力峰值为12.98MPa。 (5)根据理论研究、试验研究得出侧向顶板垮落引起集中应力分布规律,采用极限平衡法推导出切缝前、后塑性区宽度的计算公式,研究表明,在赵庄矿地质条件下,顶板切缝深度为15m时,护巷煤柱宽度可减小60%。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TD823.5

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