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极松散厚煤层完全沿空掘巷的支护机理与技术研究

周仁战  
【摘要】:煤炭是宝贵的不可再生资源,在保证安全、技术可行、经济合理的前提下,尽可能提高煤炭采出率是煤炭行业的发展趋势之一。中国工程院袁亮院士提出了“煤炭精准开采科学构想”,煤炭精准开采是人类社会未来采矿的必由之路,本文对极松散厚煤层完全沿空掘巷支护技术方面的研究,正是精准开采的工程实例。目前我国在完全沿空掘巷方面实践的案例很少数,公开文献显示,自1949年至今,我国仅实施了 5例,其中4例对应的煤层厚度均在2m左右,且属中硬度煤层;煤层厚度8m左右,且属于极松散低强度的煤层仅本项目1例,故本文的研究依然属新生事物,尝试实施完全沿空掘巷的煤矿数量不多。在煤矿中实施完全沿空掘巷技术不仅可以提高煤炭采出率,而且可以省去了探水环节,提高了成巷速度,保证了工作面的及时接替,避免了煤矿停产。围绕论题,本论文的主要研究工作如下:(1)根据收集的资料分析8100机巷所处的复杂工程地质和水文地质条件,分析水害、有害气体及采空区残余煤炭自燃等该巷实施完全沿空掘巷的影响因素并进行防治,为顺利实施完全沿空掘巷技术提供理论支撑。(2)从工业现场取试样对主要岩石的抗拉强度、抗压强度、变形模量、弹性模量、泊松比等力学性质进行室内试验研究,同时对型煤的侧压系数、单轴压缩强度及七种围压情况下的三轴压缩强度进行室内试验研究;依据试验结果判断岩石的坚硬程度,根据岩土材料的屈服条件摩尔—库仑条件,计算松散煤的粘聚力和内摩擦角。(3)建立冒落拱力学模型,以轴对称圆形巷道围岩变形分区的力学模型为基础,基于煤岩体特殊的蠕变特性,对实体煤侧煤体的变形分区进行解析分析,给出实体煤侧煤体径向应力分布规律及各分区范围的求解方法与计算解析式,为完全沿空巷道非对称支护参数的确定奠定基础。(4)利用ABAQUS有限元软件数值模拟技术,对实体煤侧煤体的变形分区及应力分布规律进行分析,同时对比解析分析结果,并将经过两方面相互印证的结果作为支护设计的依据。(5)根据巷道实体煤侧的特点,研究了松散煤体稳定性控制原理,提出了“防漏支强”维稳机理,给出“煤锚架”(煤+锚杆+棚架)综合支护体系的支护机理。(6)对未补强U型钢支架、两排锚杆补强支护U型钢支架、三排锚杆补强支护U型钢支架的三种支护形式建立力学模型,运用Matlab数学计算软件分别进行承载能力计算,分析U型钢支架内外边缘应力情况,对比分析不同情况下的支护效果,得出支架的受力薄弱部位,确定补强锚杆的合理位置。(7)在工业现场,对围岩与金属支架之间的相互作用力、棚架组合结构中锚杆的拉拔力进行准确的现场实测和分析,这些基础研究工作为沿空巷道的支护设计提供了现场第一手资料。(8)提出该巷道的合理支护方案,并将支护技术现场应用,对比分析补强前后巷道的变形量,通过现场监测结果验证支护机理与支护方案的科学性与合理性。本文不仅全面分析了深厚极松散煤层中实施完全沿空掘巷的制约因素,而且为精准采煤的实现又挖掘了一种有效方法。该研究结果在学术上不仅具有较高的理论价值,而且在工程上还有非常重要的实践意义。


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