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段王矿15号煤坚硬直接顶沿空掘巷围岩稳定性分析及其控制技术

毛世杰  
【摘要】:段王矿是山西寿阳段王煤业集团的主力矿井,设计年产量3.0Mt,现主采15号煤。该煤直接顶为K2灰岩顶板,厚度1.10~2.60m,平均1.4m,煤层厚度为3.19~5.02m,平均4.05m,底板为一层厚度约5m的砂质泥岩。存在双巷掘进煤柱损失大,支护不合理的问题,为进一步减小煤柱损失和优化支护效能,本文以段王矿15号煤为工程背景,进行回采巷道沿空掘巷的研究攻关,主要成果如下:(1)对坚硬直接顶沿空掘巷的围岩变形特征进行了描述,并根据顶板破坏深度和自稳性能,按照坚硬直接顶的厚度进行了支护类别的划分,并对各支护类别的支护方法进行了叙述,对现场影响锚固支护的关键问题进行阐述,对支护参数进行了理论计算和确定,通过150505回风平巷支护体性能的原位试验,确定了顶板锚杆扭矩应达到300N·m,最佳锚固长度应为1.3m;帮部锚杆扭矩应在200~250N·m之间,最佳锚固长度应为0.7m;锚索的最佳长度为4.3m,为150505运输平巷沿空掘巷工业性试验的支护工作提供了依据,为段王矿15号煤巷道的支护提供了指导和借鉴。(2)通过对沿空掘巷上覆岩体破断运移规律的研究,建立了以弧形三角块为核心的围岩大结构模型,并对弧形三角块两种失稳形式的稳定性系数K_1和K_2进行了推导与计算,最终由MATLAB计算得出在段王坚硬直接顶地质条件下,掘进前,掘进后,与回采时,均不会发生滑落失稳和转动失稳,证明了段王矿15号煤沿空掘巷的可行性。对基本顶的断裂位置进行分析,得出当煤柱大于7.6m时,对留巷顶板稳定较为有利。对段王矿直接顶的弱化需求做出计算分析,得出当坚硬直接顶厚度超过3.9m时,才需要进行顶板弱化处理。(3)从沿空煤体应力时空分布规律入手,分析了段王矿小尺寸护巷煤柱试验失败的原因,确定段王矿15号煤采空区稳定时间为133.7~167.1d,以此作为沿空掘巷的参考时间。通过理论计算与现场情况相结合的方式,给出煤柱尺寸的合理范围为10~20m。通过数值模拟分析发现,采空边缘煤体应力集中峰值处于距采空区煤壁6.5m处。对10m、12m、14m、16m、18m的煤柱分别进行模拟发现,12m以下的煤柱,应力分布尖锐无平稳承载段,巷道变形较大,14m、16m、18m煤柱均存在稳定的弹性核,有利于其长期稳定,综合考虑生产安全及效益,确定采用14m煤柱。对14m煤柱回采期间煤柱及巷道的应力变形情况进行了模拟验证,发现煤柱体集中应力有所升高,但仍存在稳定的弹性承载核,围岩变形量有所扩大,但仍处于正常范围内,巷道较为稳定,14m煤柱沿空掘巷效果良好。(4)对150505运输巷在设计煤柱尺寸及支护方案下掘巷期间的巷道变形进行了观测,巷道掘出30d顶底板移近量在100mm左右,两帮移近量在155mm左右,总体变形量较小,掘巷巷道围岩变形控制效果良好。


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