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近水平综放开采沿空掘巷煤柱承载机理及应用研究

吴志刚  
【摘要】:小煤柱护巷技术作为煤炭资源高效绿色开采技术的重要组成部分,近年来得到越来越多的应用,尤其在西部矿区厚煤层开采时。本文针对沿空掘巷煤柱尺寸难以确定的问题,运用现场测试、理论分析、相似模拟、数值模拟相结合的方法,对综放工作面沿空掘巷煤柱承载机理开展研究,提出包含煤层采高、覆岩结构、煤体强度、载荷特性、巷道尺寸等参数的煤柱宽度理论计算方法,支撑沿空掘巷全寿命周期煤柱设计。论文以柳巷煤矿为工程背景,从沿空掘巷煤柱支撑上覆岩层载荷为出发点,开展以下研究工作:(1)通过矿压观测揭示不同宽度煤柱沿空掘巷的矿压显现规律;(2)开展采空区倾向关键层理论研究,提出煤柱应力计算公式;(3)相似模拟和数字散斑测试方法相融合,研究采空区倾向上覆岩层运动特征、煤柱区域应力及变形破坏特征;(4)数值模拟研究不同宽度煤柱的沿空掘巷围岩应力场、位移场的变化规律;(5)沿空掘巷煤柱优化设计及工程实践。研究取得如下成果:(1)进行综放工作面8m和15m宽度煤柱的沿空掘巷矿压规律实测,得出煤柱宽度为8m时,两帮移近量以煤柱变形为主,煤柱宽度为15m时,两帮移近量以实体煤的变形为主,煤柱宽度对巷道矿压显现有显著的影响。(2)构建倾向关键块结构为基础的稳定模型,得出关键块受力结构。研究表明:板梁弯曲下沉带是承载关键层,依据变形协调原则,判定板梁弯曲下沉带底部和围岩体形成类似直角三角形的承载大结构。沿空掘巷布置在三角形大结构的下方时,煤柱上方类似直角梯形的小结构决定煤柱应力。根据面积分摊法,计算煤柱应力,煤柱应力与其上方的直角梯形面积成正比,与煤柱宽度成反比。(3)相似模拟和散斑测试研究表明:采空区上覆岩层裂隙带高度(直角梯形的高)为采高的7.5倍,直角梯形的钝角105.6°。覆岩稳定后,煤柱区域水平方向位移由上而下依次增加;沿空掘巷过程中,煤柱底部有横向剪切破坏。压剪载荷作用下,煤柱围岩出现拉压交替变化特征,随着剪应力增加,煤体强度近似线性降低。(4)数值模拟表明:采高10m时,超前支承应力集中系数为1.78(回采时煤柱动载系数);沿空掘巷围岩塑性破坏、顶板下沉量随着煤柱宽度增加而降低、煤柱宽度超过10m,围岩塑性区、顶板下沉量降低幅度减少;煤柱的应力峰值随着煤柱宽度增加先增大后变小。数值模拟表明10m煤柱宽度合理。(5)提出新的煤柱计算公式对(柳巷煤矿30105工作面)沿空掘巷煤柱进行安全性校核,计算表明:8m煤柱的安全系数小于回采时煤柱的动载系数1.78;通过安全性校核的煤柱理论计算宽度为9.4m,接近现场实测煤柱宽度9.5m。建议预留10m煤柱,并考虑锚杆支护对煤柱的作用,确保安全系数大于动载系数。现场应用表明,10m煤柱沿空掘巷,掘进回采时煤柱最大变形量小于51mm,煤柱稳定可靠。


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