张家峁矿厚煤层大断面巷帮破坏机制及围岩稳定性控制

摘要

巷帮的稳定性控制是减小顶板有效跨度保障顶板安全的重要基础。陕西省榆林市张家峁煤矿属于典型的浅埋厚煤层大断面，工作面回采过程中存在巷帮破坏严重问题，给安全生产带来了极大的安全隐患。本文以张家峁煤矿5-2煤层15207胶运巷道工程背景，综合采用现场调研、实验室试验、理论分析、数值计算等研究方法，测试了张家峁矿煤体力学参数、分析了巷帮破坏特征及其主要影响因素、揭示了巷帮破坏机制、提出了巷道强帮支护技术设计了试验方案，分析了不同支护方案下的巷道围岩稳定性，得出了合理的围岩稳定性控制方案。主要结论如下： （1）分析了巷帮破坏特征，测试了煤体力学参数 张家峁矿巷帮主要存在三种破坏形式：肩角处破坏、中部鼓出、整体片落；得到巷帮煤体的单轴抗压强度为9.46MPa、抗拉强度1.16MPa、内聚力c=1.57、内摩擦角φ=18.25°。 （2）分析了巷帮破坏的主要影响因素，并阐明了巷帮破坏机制。 （a）通过建立力学模型推导了巷道开挖卸荷过程中巷帮水平应力、垂直应力、塑性区宽度、破裂区宽度以及巷帮平均水平位移量的表达式，并对掘进、回采过程中巷帮破坏的影响因素进行了分析，得出巷帮破坏主要受煤层埋深、地应力、内聚力、巷道高度、煤体内摩擦角、煤体弹性模量、泊松比的影响；利用Design-Express软件对巷道高度、宽度、侧压系数进行了三因素三水平试验设计，得到各因素对于巷帮水平位移量的影响。 （b）通过三维数值软件得出了巷帮围岩运移规律。巷道掘进后，帮部一定范围内的煤体水平应力较之原岩应力显著减少、垂直应力明显增高，其应力差将导致巷帮发生破坏；巷帮以深0～2m为掘进卸荷区，且掘进稳定期间巷帮塑性区范围为2.5m。 （3）提出了强帮支护技术，得到了合理的巷道围岩稳定性控制方案。通过对张家峁矿5-2煤层15207回采工作面的矿压监测并结合数值分析得到通过强帮支护控制巷道围岩稳定理论上是可行的；利用Design-Express软件设计了13种试验方案，通过对各方案进行对比得到巷帮使用4根φ18×3000mm螺纹钢锚杆（间排距为1000mm×1200mm）可以有效控制塑性区范围，并通过数值计算与原方案进行对比，结果表明强帮支护设计方案与原支护方案相比回采帮位移减少33.1％、煤柱帮（非回采帮）减小55.3％，验证了方案的合理性。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1.1 选题背景

1.1.2 选题意义

1.2.1 巷帮破坏机理与控制研究现状

1.2.2 巷道围岩破坏机理研究现状

1.2.3 巷道围岩控制理论与技术研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线图

2 张家峁矿厚煤层大断面巷帮破坏特征与煤体力学性质测试

2.1巷帮煤体变形破坏

2.2 张家峁矿厚煤层大断面巷帮破坏特征及原因分析

2.2.1 矿井概况

2.2.2 其它赋存特征

2.2.3 巷帮破坏特征及原因分析

2.3煤体力学性质

2.3.1 试验仪器与试件制备

2.3.2 煤体力学性能测试

2.4 本章小结

3 张家峁矿厚煤层大断面巷帮破坏机制及其主要影响因素

3.1开挖卸荷巷帮应力位移时空演化规律

3.1.1 开挖卸荷巷帮应力演化特征

3.1.2 开挖卸荷圈层破坏时空演化规律

3.1.3 开挖卸荷巷帮位移演化特征

3.2 开挖卸荷巷帮破坏机理

3.2.1 巷道卸荷帮部应力分布理论分析

3.2.2 开挖卸荷帮部破坏的影响因素

3.2.3 单一因素对巷帮水平位移量影响

3.2.4 多因素交叉作用对巷帮水平位移量的影响

3.3回采扰动巷帮破坏影响机制

3.3.1 回采扰动期巷帮应力位移时空演化规律

3.3.2 回采扰动巷帮破坏理论分析

3.4 本章小结

4 张家峁矿厚煤层大断面巷道围岩稳定性控制

4.1张家峁矿厚煤层大断面巷道围岩控制现状

1）巷道支护参数

2）测站布置

3）监测结果分析

4.2 巷道强帮支护技术

4.2.1 强帮支护加固机制

4.2.2 强帮支护加固措施

4.3 张家峁矿巷道围岩稳定性控制数值研究

4.3.1 围岩稳定性数值模拟方案

4.3.2 数值模拟结果分析

4.4 本章小结

5 结论与不足

5.1 主要结论

5.2 研究不足

参考文献

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