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1m近距离煤层采空区下回采巷道应力场分布及支护技术研究

尚奇  
【摘要】:我国近距离煤层群赋存的资源比较丰富,且多运用下行开采的方式开采井下赋存的煤炭资源,此开采方式一般把上部煤层的底板作为下部煤层回采时的顶板,这样上部煤层回采后会对下部煤层的围岩应力及围岩状态产生很大的影响。特别是在两层煤的层间岩层距离较小时,上部煤层开采后其底板强度受到一定程度的破坏,且上覆岩层的自重应力等通过上部煤层遗留的区段煤柱向底板岩(煤)层传递,会在下部煤层产生局部的应力增高区,下部煤层受力环境比较复杂,对下部煤层回采时巷道的位置选择和围岩控制带来极大的困难。本论文以山西华烨煤矿层间距仅为1m的4号、4_下号极近距离煤层赋存条件为研究背景,为了确保下部4_下号煤层回采巷道在上部4号煤采空后巷道围岩的稳定性,分析了极近距离煤层赋存条件下影响下部4_下号煤层巷道围岩稳定性主要因素有:巷道受上部4号煤层遗留区段煤柱的应力环境、巷道位置的选择、巷道围岩性质、巷道支护方式。通过理论分析、数值模拟、实验室试验、现场观测等研究方法,对1m超极近距离煤层采空区下回采巷道的巷道布置和巷道围岩控制进行了研究。研究的主要结果如下:(1)通过对上部煤层开采围岩应力分布规律进行分析,运用滑移线场理论、弹塑性理论建立了长壁开采采场应力计算力学模型,得出华烨煤矿4号煤层开采后底板破坏的最大深度为8.14m,超过了4号煤层和4_下号煤层的层间距。(2)通过对煤柱稳定性的分析,建立煤柱塑性区计算模型,得出煤柱塑性区宽度的计算公式,结合华烨煤矿地质资料得出4号煤层稳定区段煤柱为7.93m~9.93m,确定4108工作面和4109工作面之间的区段煤柱为稳定性煤柱。(3)通过理论计算和数值模拟分析了上层煤开采后遗留的不同宽度煤柱下底板围岩的垂直应力和主应力差分布规律,为下部4_下号煤层回采巷道位置的选择提供理论指导。确定在1m层间距条件下,下部煤层回采巷道布置方式采用内错布置方式比较合适且巷道应布置在垂直应力和主应力差比较小且应力变化比较均匀的位置,结合数值模拟对垂直应力、主应力差及其应力变化均衡程度的结果确定了下部4_下号煤层4301工作面两顺槽的合理内错距为10m。(4)对采空区下巷道顶板破坏特征和失稳规律进行了分析,确定了下部煤层巷道顶板控制原则为:(1)快速承载(2)竖向预紧(3)横向加固;提出巷道采用全长锚固锚杆网+工字钢架棚联合支护和基于水力膨胀锚杆全长锚固+顶板超前插管法的三维联合控顶技术两种支护技术对巷道围岩进行控制;通过对全长锚固锚杆网+工字钢架棚联合支护方式进行数值模拟,确定了该支护方案在井下应用前的可行性;通过现场工业性试验对巷道进行矿压观测,分析了巷道超前支护单体柱、巷道围岩变形量受采动影响的变化情况,并对巷道支护后的顶板进行窥视,确定华烨煤矿极近距离下部4_下号煤层巷道围岩得到了有效控制。


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