上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩控制技术研究

摘要

回收分层开采的上分层区段煤柱、实现对遗留煤柱的最大化开采，对实现煤炭工业的可持续发展、构建煤炭安全稳定供应保障体系具有重要的意义。 本文以屯城煤业 13604 下分层工作面为研究背景，结合屯城煤业的具体地质力学环境，建立在上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩结构关系的总体力学模型，分析区段煤柱下留窄煤柱掘巷与上覆岩层的结构关系、掘巷与回采期间围岩的稳定性及破坏规律、窄煤柱的变形破坏机理、掘采全过程围岩变形及控制机理。在参考传统窄煤柱护巷技术的基础上，通过理论分析、数值模拟、现场围岩变形观测的研究手段，对厚煤层分层开采在上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩在掘采期间的变形及控制机理、合理窄煤柱尺寸的确定、掘采期间的围岩控制对策等进行了系统、详细的研究。 （1）通过分析区段煤柱下留窄煤柱掘巷与上覆岩层的关系，得出上区段工作面采空后老顶岩块的断裂特征及稳定后的形态，以此结构关系分析留窄煤柱掘巷上覆岩层大、小结构稳定性及相互关系，以窄煤柱的极限平衡理论为依据，确定试验工作面的窄煤柱宽度。 （2）研究分层开采在上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷回采与掘进期间的围岩稳定性及破坏规律，初步确定了掘巷及回采阶段沿空巷道覆岩运移规律及围岩的破坏特征：回采阶段窄煤柱的应力集中程度要远大于掘巷阶段，巷道煤柱侧的变形破坏程度大于实体煤侧，回采期间两帮及顶底板的最大变形量分别是掘巷阶段的3和4倍多，同时得出上覆关键层结构共经历了 4 次“破断-回转-稳定”，且最后一次的运动对围岩的稳定性影响更为剧烈。 （3）以煤柱的基本特征为切入点，建立了实体煤帮和窄煤柱帮的力学计算模型，得出煤柱稳定性的影响因素、窄煤柱的破坏机理及不同顶板压力及强度条件下的煤柱变形规律；在留窄煤柱掘巷上覆大小结构关系的力学基础上，得出上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩掘采全过程的破坏特征及破坏机理。 （4）采用数值模拟的手段模拟了不同窄煤柱宽度条件下围岩的应力及塑性变化特征，结合理论分析，最终得出合理的窄煤柱宽度为6m；通过分析巷道开挖后的应力分布及巷道的变形破坏特征，提出巷道非对称支护技术，模拟掘巷期间围岩锚杆（索）支护不同锚杆几何参数及力学参数时锚杆（索）的预应力扩散效果，得出最优的掘巷期间静态支护方案——锚网（索）耦合非对称支护技术。在回采阶段围岩变形破坏规律的基础上，提出回采时的动态支护技术，即破碎段注浆加固技术，并给出了具体的注浆加固方案。 （5）现场试验表明，13604（下）运输巷窄煤柱完整性较好，掘进期间采用的非对称支护技术能有效的控制围岩变形破坏。巷道在掘进期间两帮、顶底板最大移近量分别为65mm、57mm，变形量在可控的范围内；巷道开挖初期围岩变形较快，后逐渐较小，掘进影响期约为14天。回采期间，对于注浆加固段：窄煤柱侧、实体煤侧的最大移近量分别为109mm、246mm，实体煤帮的位移量大于窄煤柱帮的位移量，超前支承压力峰值或高应力区位于工作面前方35~40m处；对于无注浆加固段：窄煤柱侧、工作面侧最大移近量分别为187mm、86mm。窄煤柱侧移近量大于工作面侧移近量，超前支承压力峰值在工作面前方30m左右。从技术和经济的角度对留大、窄煤柱进行了比对，得出窄煤柱较大煤柱除了具有诸多的技术优点外，还比大煤柱多收益6921万元，取得了较好的技术和经济效益。

目录

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第一章 绪论

1.1 选题的背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 厚煤层分层开采研究现状

1.2.2 小煤柱宽度留设研究现状

1.2.3 沿空巷道围岩破坏机理研究现状

1.2.4 沿空巷道围岩控制研究现状

1.3 论文的主要研究内容及技术路线

1.3.1 论文的主要研究内容

1.3.2 主要研究方法和技术路线

第二章 区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩应力与稳定性分析

2.1 区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩结构关系

2.1.1 上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷总体力学模型

2.1.2 上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷上覆岩层结构关系图

2.1.3 弧三角形关键块的结构参数

2.2 掘巷阶段围岩稳定性分析及破坏规律

2.2.1 区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩的基本特征

2.2.2 掘巷阶段沿空巷道覆岩运移规律

2.2.3 掘巷阶段沿空巷道大、小结构稳定性分析研究

2.2.4 区段煤柱下留窄煤柱掘巷顶煤的受力特征

2.3 回采阶段围岩稳定性及破坏规律

2.3.1 回采阶段沿空巷道围岩破坏特征

2.3.2 回采阶段沿空巷道基本顶的受力特征

2.4 本章小结

第三章 区段煤柱下留窄煤柱掘巷“煤柱-围岩强度”关系理论分析

3.1 上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷煤柱的破坏机理及稳定性分析

3.1.1 留窄煤柱掘巷煤柱的基本特征

3.1.2 窄煤柱稳定性分析

3.1.3 窄煤柱破坏机理

3.2 区段煤柱下留窄煤柱掘巷巷帮受力变形理论分析

3.2.1 实体煤帮受力分析

3.2.2 小煤柱帮煤体受力分析

3.3 留窄煤柱掘巷窄煤柱合理宽度确定数值模拟研究

3.3.1 工程概况

3.3.2 数值模型的建立及力学参数测定

3.3.3 数值模拟方案

3.3.4 数值模拟结果分析

3.4 本章小结

第四章 区段煤柱下沿空巷道围岩变形及控制对策研究

4.1 上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩的破坏特征及机理

4.1.1 区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩的破坏特征

4.1.2 区段煤柱下留窄煤柱掘巷围岩的破坏机理

4.2 沿空巷道掘、采全过程围岩控制机理

4.3 沿空巷道采掘期间动、静态支护技术研究

4.3.1 掘进期间静态支护参数研究

4.3.2 沿空巷道锚网索耦合非对称支护技术研究

4.3.3 回采期间动态加强支护技术研究

4.4 本章小结

第五章 工程实践

5.1 试验巷道概况

5.2 沿空巷道掘巷阶段围岩变形情况分析

5.2.1 窄煤柱内部裂隙发育情况分析

5.2.2 巷道表面位移分析

5.3 沿空巷道回采阶段围岩变形情况分析

5.3.1 加强支护段巷道表面位移分析

5.3.2 未加强支护段巷道表面位移分析

5.3.3 加强支护段巷道围岩深部位移分析

5.3.4 未加强支护段巷道围岩深部位移分析

5.4 上分层区段煤柱下留窄煤柱掘巷综合性评价

5.4.1 技术效益评价

5.4.2 经济效益评价

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 不足和展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目