煤矿边角孤岛工作面诱冲机理及其控制研究

【摘要】：我国大型煤炭生产矿区采用正规开采布局、大规模机械化生产方式，留下了许多边角残余煤炭块段及各种边角孤岛煤体。这些边角孤岛工作面的回采，对于提高煤炭采出率和资源利用率，延长矿井寿命具有重要的社会与经济价值。由于边角孤岛煤体周围已大量回采形成采空区的特殊开采条件，在其回采时存在较高的冲击矿压危险性。本论文以兴隆庄煤矿的4318边角孤岛工作面为研究背景，通过理论分析、数值模拟、实验室实验、现场实践等手段研究了边角孤岛工作面的围岩结构特征、围岩应力变化及覆岩运动规律与诱冲原理、沿空小煤柱留设及巷道不对称支护对策等。 研究表明，根据上覆岩层破断的O-X型规律，孤岛工作面上覆岩层在垂直层面方向上具有“T”型结构，在孤岛工作面上下端头上覆岩层呈“反弧形”结构。边角孤岛工作面上下端头的煤体在“反弧形”结构的作用下，受周边采空区的影响，超前支承压力集中系数和侧向支承压力集中系数均比正常工作面高，而且受采动应力场影响极大。这为边角孤岛工作面冲击矿压的发生提供了应力和冲击载荷条件。 模拟研究了孤岛工作面开采过程中的围岩应力变化及覆岩运动规律。边角孤岛工作面初采时，直接顶和老顶在煤壁侧中间超前煤壁首先出现破裂，老顶破断范围比直接顶大，支承压力向煤壁前方转移，而煤壁的两端滞后煤壁呈弧型破断，形成O-X破断。随着工作面的回采，覆岩的塑性区域逐渐向上、向前发展，覆岩的破坏逐渐向着覆岩上方破坏。 研究提出边角孤岛工作面发生冲击破坏的关键在于静载与动载的叠加影响，动载扰动使煤岩体致裂、冲击，破坏闭锁作用，从而与静载一起共同诱发甚至主导煤岩系统发生冲击破坏。以此提出了防治边角孤岛工作面发生冲击的相应对策。 小煤柱对防止冲击矿压的发生具有重要的作用。通过对综放采场顶板运动规律及支承压力分布规律的分析，以及锚杆支护技术的要求，分析了小煤柱的合理性。通过模拟研究得到了不同煤柱宽度下，煤柱内垂直应力及围岩变形的变化规律。从弱结构体支护的角度分析了非均称支护的机理，提出了沿空巷道非对称支护的原理。设计了沿空巷道的不对称参数，并提出了设计计算表达式。 在兴隆庄煤矿4318孤岛工作面回采过程中，划分了冲击危险区域，采用了小煤柱护巷，根据不对称原理设计了巷道支护支护范围、支护密度、支护刚度等支护参数，并进行了实施。在孤岛工作面回采过程中，采用冲击矿压的监测与卸压解危防治措施，保证了4318工作面的安全生产，取得了良好的社会经济效益。