特厚煤层开采中沿空掘巷煤柱宽度及稳定性研究

摘要

特厚煤层一次采出空间较大，开采影响范围更广，矿山压力显现具有突出的特征规律，给采场和巷道围岩控制理论技术提出了新的课题。特厚煤层开采中煤柱的留设是矿压控制理论和技术的重要内容，煤柱宽度留设过大会增加资源损失及掘进工程，留设过小则会增加矿压控制难度甚至影响正常生产。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法，对特厚煤层开采中沿空掘巷煤柱合理宽度的确定及其稳定性控制问题进行了探讨，主要内容如下： （1）运用关键层理论分析了上覆岩层的分布特征。得出了距离煤层较近的低位含砾粗砂岩为硬岩层，其下方直接顶较薄，垮落后未能充满采空区，故该硬岩层破断后在煤壁处形成了悬臂梁结构，远处断块垮落；更高层位的含砾粗砂岩，由于其距离煤层较远，其下方岩层垮落后对采空区充填充分，破断后形成了砌体梁结构。 （2）运用数值模拟方法分析了采空区侧向支承压力分布规律，本文工程背景条件下侧向支承压力峰值距离采空区边缘约为 23m，应力降低区约为14m，选择9m宽的小煤柱时煤柱及巷道位于应力降低区内，避开了峰值应力。 （3）运用极限平衡理论分别计算了上工作面开采后在邻近煤体中产生的塑性破坏区宽度和巷道掘进后在煤柱另一侧产生的塑性破坏区宽度，经计算得出塑性破坏区宽度分别为 4.3m，和 1.72m。根据煤柱承载区的宽度需达到塑性区宽度的30%～50%，经计算承载区范围为1.86～3.01m。综合考虑了煤柱的作用及稳定性，最终确定煤柱宽度为9m。 （4）基于正交试验分析了煤柱宽度、煤层厚度、煤层埋深、煤层内聚力和顶板强度对煤柱极限承载区的影响，设计了 16 种方案进行数值模拟，分析了每个方案中煤柱铅垂应力分布规律，得出煤柱两侧边缘铅垂应力较低，煤柱中间部分铅垂应力值较大，整体表现为先升高后降低的单峰形，并根据煤柱所受最大应力的宽度为煤柱极限承载区宽度，求出了煤柱极限承载区比率，在此基础上对结果进行了极差分析，得出了对煤柱极限承载区比率的影响显著性依次为煤柱宽度、煤层内聚力、煤层厚度、煤层埋深和顶板强度。同时，对每个因素与煤柱极限承载区比率的关系进行了拟合，拟合公式的相关系数都大于0.9，即所分析的因素与煤柱极限承载区比率有很好的相关性，可用拟合公式估算不同条件下煤柱极限承载区比率。 （5）利用 MATLAB 软件对煤柱极限承载区比率与煤柱宽度、煤层埋深、煤层厚度、煤层内聚力以及顶板强度进行了多元回归分析，得到了煤柱极限承载区的回归公式，相关系数为0.9153，大于0.9，相关性较好，可以利用该公式估算不同因素综合作用下煤柱极限承载区比率。基于所得出的公式，验证了煤柱宽度为9m时，煤柱极限承载区的比率大约为23%，极限承载区宽度约为2.07m，煤柱具有一定承载能力，可以保持稳定性。 （6）针对煤层巷道围岩裂隙极其发育且较为破碎的特征，结合工程背景根据厚锚固板理论和组合梁理论选取了锚杆和锚索进行支护设计，得出了锚固参数，并利用数值模拟软件对比分析了有无支护时煤柱的塑性区范围以及煤柱水平位移值，得出了支护后巷道围岩塑性区范围较小，煤柱水平位移值约为100-200mm，支护效果较好，可以保证正常生产。

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