基于应力场干预的巷旁顶板定向垮落技术研究

摘要

沿空留巷是实现无煤柱连续开采、提高煤炭资源采出率、降低巷道掘进率的重要保障，同时也是解决瓦斯与动力灾害，实现煤炭科学开采的关键技术之一。然而沿空留巷处于采空区边缘，在巷道服务期间会受到多次回采动压影响，其上覆岩层结构稳定性及巷道围岩变形控制受到严重的挑战。针对沿空留巷变形严重问题，进行围岩控制时主要采取加强巷内及巷旁支护或对采空侧顶板进行预裂爆破切顶卸压，而火工品在高瓦斯矿井使用具有诸多限制，本文创造性地提出将静力破岩技术与切顶卸压技术相结合，并开展相关研究工作。 通过理论分析、数值模拟及工业性试验等综合研究手段，对沿空留巷覆岩运动特征进行了分析，重点对沿空留巷采空侧顶板结构进行研究，提出采空侧“倒梯形”承载区顶板的传递承载机理，对采空侧基本顶在实体煤侧、巷道上方及采空区侧三种不同断裂位置构建了不同力学模型，分析可知无论沿空留巷上覆基本顶断裂位置位于何处，当基本顶岩层采空侧悬臂结构长度越长，施加于巷旁支护体上的载荷就越大。因此采取相关技术手段减小基本顶采空侧悬臂结构长度，可以有效减小巷旁支护体所承受的载荷。基于上述分析，超前工作面施工钻孔并注入静态破碎剂静力切顶，对顶板岩层原有应力平衡状态进行干预，在工作面回采动压影响下使其沿着钻孔线方向发生定向垮落，对顶板岩层运动进行主动控制，可有效缓解沿空留巷区域围岩应力较高的问题，进而优化了留巷围岩应力环境和顶板结构形态，缩短了沿空留巷围岩的运动变形时间，有助于留巷围岩实现快速稳定。 采用隔孔装药方式，通过钻孔围岩受力分析及裂隙扩展分析并结合现场实际可知，当选取钻孔直径为85 mm、间距为900 mm时，静态破碎剂反应后，可将岩体开裂；通过FLAC3D数值模拟分析可知切顶高度应取14 m为宜，切顶角度应取70°为宜；无论未切顶时沿空留巷基本顶发生何种断裂形态，切顶后沿空留巷巷旁支护阻力比未切顶时得到了充分地降低；最后设计了相关钻孔及装药施工工艺流程和矿压观测方案。 将采空侧切顶卸压与静力破岩技术相结合，超前工作面静力切顶，在工作面回采动压影响下可实现沿空留巷巷旁基本顶定向垮落，以减小留巷围岩变形及实现其稳定性。该项研究丰富了切顶卸压施工工法，具有一定的理论及实际意义。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状

1.2.1 采场矿压理论综述

1.2.2 沿空留巷上覆岩层活动规律及围岩控制研究现状

1.2.3 顶板预裂卸压技术研究现状

1.2.4 静力破岩技术研究现状

1.2.5 研究现状的不足及展望

1.3 研究内容、方法、技术路线

第二章 沿空留巷覆岩运动特征及围岩结构力学分析

2.1 综采工作面沿空留巷矿压分布及显现规律

2.2 沿空留巷采场覆岩运动特征与稳定机理

2.2.1 采空侧“倒梯形”承载区顶板的传递承载机理

2.2.2 采空侧顶板运动特征及围岩结构力学模型

2.3 本章小结

第三章 采空侧切顶应力场干预机理及切顶钻孔参数设计

3.1 静力破岩切顶卸压应力场干预机理

3.1.1 静态破碎剂破岩机理

3.1.2 静力破岩切顶卸压应力场干预机理

3.2 切顶卸压沿空留巷围岩结构力学模型

3.3 沿空留巷采空侧切顶钻孔参数设计

3.3.1 钻孔围岩受力分析

3.3.2 钻孔围岩裂隙扩展分析

3.3.3 钻孔合理距离的确定

3.4 本章小结

第四章 采空侧切顶关键参数确定及围岩应力场变化数值模拟

4.1 三维数值模型的建立

4.1.1 模型尺寸及边界条件

4.1.2 本构模型与力学参数

4.1.3 开挖及模拟过程

4.2 不同切顶高度的卸压效应

4.2.1 不同切顶高度时垂直应力场

4.2.2 不同切顶高度时塑性区分布

4.3 不同切顶角度的卸压效应

4.3.1 不同切顶角度时垂直应力场

4.3.2 不同切顶角度时塑性区分布

4.4 切顶留巷过程中围岩应力变化分析

4.4.1 切顶与未切顶情况下沿空留巷围岩应力演化规律

4.4.2 切顶与未切顶情况下沿空留巷围岩塑性区演化规律

4.5 本章小结

第五章 采空侧切顶卸压工程应用

5.1 试验巷道工程地质条件

5.1.1 工作面位置及四邻情况

5.1.2 煤层及顶底板情况

5.1.3 采煤方法及沿空留巷施工工艺

5.2 采空侧切顶卸压切顶参数设计

5.2.1 切顶卸压施工方案设计

5.2.2 切顶卸压关键参数

5.3 采空侧切顶卸压施工工艺流程

5.3.1 钻孔

5.3.2 装药及封孔工艺

5.4 矿压观测方案

5.4.1 围岩应力计布置

5.4.2 锚杆（索）压力传感器布置

5.4.3 顶板离层仪布置

5.4.4 巷道围岩变形观测

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 不足与展望

参考文献

致谢

附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录