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特厚煤层坚硬顶板破断动载特征及巷道围岩控制研究

于洋  
【摘要】:朔南矿区是一个新建的特大型矿区,区内煤层厚度大、开采条件复杂,而且煤层上方赋存有多层坚硬难冒放顶板。在特厚煤层综放开采过程中,采场尤其是采空区后方的沿空巷道呈现出强烈动力显现特征,严重威胁到矿井的安全高效生产。因此,本文以麻家梁煤矿为研究背景,结合井田区域构造特征、煤岩赋存条件和开采技术要求,综合采用现场调研、理论分析、数值模拟计算、相似材料模拟实验以及现场实测等研究手段,系统研究了坚硬顶板条件下特厚煤层综放开采的矿压显现特征及动载作用机理,针对性地提出了基于水压致裂弱化控制和抗动载作用支护系统的沿空巷道围岩控制原理和技术途径。(1)麻家梁煤矿受到煤岩地质构造特征和开采技术条件的影响,频繁出现工作面来压强度大、煤壁片帮、支架损坏、沿空巷道强烈位移、支护结构严重破坏等强烈矿压显现特征。工作面液压支架初撑力普遍不足,基本顶来压步距大、强度高、动载系数大,并且呈现强弱交替的大、小周期来压规律,采动支承应力波及范围大、影响程度高,沿空巷道呈现阶段性的动载变形特征。(2)研究得到了特厚煤层双硬顶板破断方式和垮落步距,指出特厚煤层低位双硬顶板破断失稳呈现下位“悬臂梁”与上位“砌体梁”结构。在此基础上,揭示了特厚煤层低位双硬顶板破断失稳是导致采场工作面强矿压显现特征的主要影响因素。(3)判定并验证了麻家梁煤矿上覆岩层主关键层的位置,建立了坚硬顶板破断的动载作用模型,揭示了下位采场及沿空巷道动载强度与上覆坚硬顶板破断动载源强度之间的关系,并分别确定了采场和沿空巷道强烈动载特征的作用机理和主控岩层。(4)分析了不同属性、不同方向的动载应力波对巷道围岩稳定性的影响程度和规律,提出了动载应力波之间的相互叠加效应导致巷道迎波侧和背波侧出现拉应力并产生积累损伤和强烈变形,为巷道围岩的危险部位;通过数值计算得到了巷道围岩分别在有、无支护和动、静载作用条件下的动力响应特征。(5)研究了不同水压致裂方式的作用效果,提出了坚硬顶板水压致裂弱化控制技术,确定了合理的施工工艺和关键参数;优化了采区巷道布置方式和参数,建立了以高强蛇形让压吸能锚杆为核心的抗动载支护系统和相应的设计方法,并将以上研究技术成功应用于现场工程实践。


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