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煤层巷道复合顶板结构对其稳定性影响分析

王景春  
【摘要】:我国约三分之一以上煤层巷道顶板属于复合顶板,由于其结构复杂多变,给巷道的稳定性评判和支护带来很大的困难,导致顶板冒落事故频繁发生,严重影响煤矿的生产安全。因此,弄清楚复合顶板结构对其稳定性的影响具有重要的工程应用价值。本文以澄合矿区工程为背景,采用理论分析、简化模拟试验和结构相似模拟试验相结合的方法,研究复合顶板岩性、厚度、层数、位置等不同的结构形式对其稳定性的影响及复合顶板变形-破坏规律,并在此基础上提出科学、合理的复合顶板稳定性分类方法。为煤巷复合顶板结构稳定性控制提供科学依据。主要的研究结论有:(1)煤层巷道复合顶板结构特征一般表现为软硬岩层互相间隔或为多层软弱岩层构成的复合结构,且各岩层厚度与煤巷跨度之比满足薄板假设(岩层厚度小于煤巷跨度的1/5),其特点是各岩层结构弱面(节理、层理、裂隙)发育,层间粘结力较小。(2)通过对其变形破坏规律分析可以看出,复合顶板的破坏呈现由下而上分层垮落形式,其稳定性除与巷道围岩工程、地质条件有关外,影响自身稳定性的主要因素是复合顶板岩性、厚度、位置、层数等结构特征。(3)基于简化的复合顶板组合梁结构力学理论,结合复合顶板结构特征和稳定性的影响因素,建立了简化的组合梁力学测试模型,测试了不同岩性、岩层厚度、层数、岩层位置及层间粘结力的组合梁结构受力特征,试验结果表明:煤巷复合顶板厚度一定时,其自身稳定性随岩性的增大、硬岩层厚度的增加、硬厚岩层到煤层距离的减小及层间粘结力的增强而提高,而随分层数的增多而降低,直到层数大于等于四层时,顶板稳定性受其层数变化的影响较小;其影响因素的影响程度由大到小依次是:岩性岩层厚度层数岩层位置层间粘结力。(4)以相似理论为基础,采用相似模拟试验方法,建立了几何相似、强度相等的四个煤巷复合顶板巷道围岩结构体试验模型,揭示了其在地应力作用下围岩的应力分布规律及失稳破坏特征。试验结果进一步表明:复合顶板结构的自身稳定性对巷道围岩稳定性至关重要。(5)在以上研究的基础上,结合目前复合顶板稳定性的分类方法,提出了采用复合顶板厚度和复合顶板综合强度系数为主的新的稳定性分类方法,为今后更复杂结构的复合顶板巷道稳定性控制提供科学依据。


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