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千米深井综放沿空掘巷围岩变形破坏演化机理及控制研究

王德超  
【摘要】:以千米深井综放沿空掘巷为研究对象,采用室内试验、现场探测、数值模拟、地质力学模型试验和理论分析等相结合的手段,研究深井综放沿空掘巷围岩变形破坏特性,在此基础上,对综放沿空掘巷围岩应力及位移演化机理进行了分析,揭示了不同煤柱宽度条件下围岩变形破裂演化机制,通过建立深井综放沿空掘巷巷帮围岩力学分析模型,推导出煤体极限平衡区宽度和围岩应力位移计算公式,并结合数值模拟优化和工程类比等手段,提出了一种深井综放沿空掘巷煤柱宽度确定方法,根据围岩变形破坏特征,提出相应的围岩控制对策。论文得到以下主要结论:(1)明确了千米深井综放沿空掘巷的围岩变形破坏特性,主要包括围岩变形剧烈、流变性显著,围岩松动破坏极易超出锚固区,支护构件破断失效严重,煤体侧向应力峰值位置显著大于中浅部矿井等,初步揭示了深井综放沿空掘巷围岩变形破坏的主要原因:巷道围岩所处应力环境复杂,巷道支护参数选择不合理及巷道断面尺寸大等。进一步采用数值模拟方法,对煤柱宽度、断面尺寸、煤层埋深、煤层采厚等不同因素对围岩应力和位移分布的影响规律进行了分析,进一步阐明了围岩变形破坏特性。(2)开展了深井综放沿空掘巷大型精细化地质力学模型试验,对不同煤柱留设宽度条件下围岩应力及位移演化机理和分布特征进行了研究,揭示了深井综放沿空掘巷在上工作面回采期间、巷道掘进期间及本工作面回采期间全过程的围岩变形破坏机制。(3)考虑巷帮与顶底板界面煤岩体强度软化特性,建立了深井综放沿空掘巷煤柱帮和实体煤帮力学分析模型,推导出深井综放沿空掘巷极限平衡区宽度和两帮煤体应力位移理论计算公式,明确了煤层埋深、巷道高度、界面剪应力刚度软化系数和界面力学参数等因素对煤体极限平衡区宽度、围岩应力和位移分布的影响规律,为现场设计施工提供了重要的理论支撑。(4)以煤体应力极限平衡区宽度计算理论为基础,综合考虑工作面地质条件、应力环境、构造需求等因素,结合数值模拟优化和工程类比手段,提出了一种深井综放沿空掘巷煤柱留设宽度确定方法。基于该方法,依托赵楼煤矿具体工程实例,确定了类似地质条件下深井综放沿空掘巷合理煤柱留设宽度。(5)采用应力在线和微震监测技术相结合的方法对深井综放工作面超前支承压力分布特征进行了系统精确分析,提出工作面推采过程可以划分为四个阶段分析超前支承压力分布特征,即工作面初采阶段、工作面“初次见方”阶段、工作面正常推进阶段和工作面“二次见方”阶段,为工作面回采期间设计更加合理的超前支护距离和支护强度提供现场实测数据。(6)现场应用结果表明,赵楼煤矿千米深井综放沿空掘巷煤柱留设宽度为5m时,采用沿空巷道掘巷期间“顶板锚网带索、纵向钢带+两帮锚网梯索、纵向钢筋梯+煤柱帮部锚索强化加喷浆+实体煤帮钻孔卸压”强化支护和工作面回采期间围岩分级分段加固的联合支护技术,巷道围岩控制效果能够满足工作面正常生产要求,有效解决了深井综放沿空掘巷支护技术难题,研究结果为类似复杂难支护巷道提供了有益借鉴。


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