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东滩矿坚硬顶板巷道沿空掘巷切顶卸压与围岩控制技术研究

毕瑞阳  
【摘要】:深部煤矿开采中坚硬顶板沿空巷道围岩控制较为困难,坚硬顶板未能及时垮落会在下区段煤柱一侧形成较大面积悬顶,给沿空巷道围岩稳定性带来很大危害,且顶板后期突然破断容易产生冲击荷载、暴风、诱发冲击地压等动力灾害等一系列问题。论文针对坚硬顶板通常采用切顶卸压的方式,切断坚硬顶板的应力传递及悬臂长度,针对性提出新的支护方案,使沿空巷道围岩得到有效控制。本文针对东滩煤矿坚硬顶板问题,以6306工作面为研究背景,结合了现场调研、实验室实验、理论分析、数值模拟和现场实践等方法,通过分析坚硬顶板破断形态,得出了基本顶破断位置对沿空巷道围岩稳定性和应力演化影响规律;研究了爆破切顶技术及切顶后顶板的破断形态,针对切顶后巷道围岩的稳定,提出了新的支护方案,并以6306轨道顺槽为研究对象展开工业性试验,具体研究内容如下:(1)分析了沿空掘巷基本顶板的四种破断方式,基于固支梁模型,结合现场顶板条件,计算了坚硬顶板的最大弯矩以及最大垮落步距。在坚硬顶板条件下,工作面开采后,顶板悬而不垮,在下区段掘巷采动影响下,坚硬顶板会发生破断,破断位置对下区段巷道稳定有重要影响。(2)建立了不同切顶角度下顶板破断位置及应力演化数值模拟模型,得出了最佳切顶角度,分析了顶板破断位置对切顶效果的影响。结果表明,若切顶角度过大,采空区上覆岩层会与沿空巷道上覆岩层在水平推力的作用下,会在致裂面形成较大的摩擦力,使采空区上方岩层无法顺利垮落;若切顶角度过小,沿空巷道上覆顶板岩层在采空区侧形成较长的悬顶,增加了对煤柱的应力集中,对控制围岩变形极为不利。因此模拟得出了顶板切顶的最佳位置。(3)通过爆破冲击波理论及其与岩层响应关系,揭示了爆破冲击波破裂岩层的机理,分析了岩体受冲击荷载断裂的模式。现场岩石类脆性材料受到动态冲击载荷作用,产生在垂直与裂纹面的拉应力,出现张开型破裂,该区域出现岩石破碎,在裂纹尖端继续扩展,出现裂隙区,在裂隙区以外,冲击荷载减弱产生弹性振动区。(4)建立了东滩矿大断面巷道围岩变形支护体系,揭示了围岩变形机理,实现了巷道围岩的有效控制。通过预切顶后,顶板结构得到了优化,为此针对沿空巷道提出了新的支护方案,通过现场支护效果监测数据显示,围岩变形量减小,煤柱承载力得到有效提高。现场围岩总变形量控制在30~60mm,锚杆索应力变化率控制在13%~16%范围内,保证了沿空巷道长时安全稳定。该论文有图70幅,表7个,参考文献100篇。


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