综放沿空留巷围岩及充填体稳定性研究

摘要

随着采煤工作面开采深度的不断加大和工作面所处地质条件的复杂化，传统的留设部分煤柱维护巷道的采煤方法不仅浪费了大量的煤炭资源，而且使得煤炭生产效率偏低。为了提高综放集约化生产水平，目前我国很多煤矿采用沿空留巷技术维护巷道，该技术的优点有:巷道掘进率大幅降低、煤炭回收率提高、采掘接替矛盾得到很大缓解、社会经济效益明显提高、矿井自然灾害降低[1]。综放沿空留巷技术不同于一般薄煤层中的沿空留巷，其特点有:煤层厚度大、煤层为直接顶等特点，这些特点使得巷道顶板和煤帮的变形会更加剧烈，综放沿空留巷技术的关键在于巷内支护和巷旁支护，因此支护的研究对沿空留巷的稳定意义重大[2]。
　　本文以潞安集团王庄矿7101风巷为工程背景，针对综放沿空留巷的以上特点，通过对围岩活动规律及巷道支护荷载规律的分析研究，采用相似模拟试验和FLAC3D数值模拟方法验证了综放沿空留巷的可行性、确定了合理的充填参数。论文主要内容及取得的成果如下:
　　(1)根据围岩老顶的垮落规律和断裂特征，本文涉及到沿空留巷的“大结构”和“小结构”，“大结构”为老顶岩层断裂后旋转下沉形成的斜跨梁稳定结构，“小结构”为在锚杆（索）的影响下，巷道基本顶在形成的悬臂梁下形成的稳定结构，沿空留巷在“大结构”下的位置至关重要，同时，“小结构”的稳定对整个沿空留巷的影响起到根本作用。
　　(2)本文巷道支护形式为锚杆（索）支护，根据大量实践经验，该种支护对巷道的稳定起到很好的作用，支护形式在本文三种方案中不变，本文主要通过对巷旁充填体宽度的变化来研究沿空留巷的效果。结合理论规律和工程实际情况，提出三种支护方案，方案一:巷道采用锚杆（索）支护，巷旁设置3.0m混凝土C30充填体。方案二:巷道采用锚杆（索）支护，巷旁设置2.5m混凝土C30充填体。方案三:巷道采用锚杆（索）支护，巷旁设置2.0m混凝土C30充填体。本文从充填体和巷道围岩的应力应变情况对三种方案进行详细分析，得出支护方式和充填体一定的情况下合理的充填体宽度。
　　(3)作者利用太原理工大学采矿工艺研究所1800mm×160mm×1500mm相似模型试验架对工程现场进行模拟，通过模型架对充填体宽度分别为3m、2.5m、2m三种方案进行具体研究，确定最佳充填体宽度。
　　(4)采用有限差分程序FLAC3D数值模拟软件对上面三种设计方案进行研究，模拟三种情况下的围岩变化规律及巷道顶板断裂特征，得出三种条件下围岩的塑性图、应力图和位移图，经过FLAC3D软件计算得出最优方案为方案二，并验证其沿空留巷支护的合理性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 我国研究现状

1．2．2 其他国家研究现状

1．3 存在和需要解决的问题

1．4 研究内容及方法

1．5 技术路线

2 综放沿空留巷围岩活动规律

2．1 中厚煤层沿空留巷围岩结构特征

2．2 中厚煤层围岩活动规律

2．2．1 上覆岩层的跨落形式

2．2．2 沿空留巷围岩结构活动基本规律

2．2．3 综放沿空留巷大结构稳定性分析模型

2．2．4 保持小结构稳定的技术关键

2．3 围岩活动分期规律及空间特征

2．3．1 顶板岩层分期规律

2．3．2 采空侧围岩活动的空间特征

2．4 冒落带高度及顶板断裂位置

2．4．1．冒落带高度

2．4．2 基本顶断裂位置

2．4．3 老顶断裂位置

2．5 本章小结

3 沿空留巷围岩控制技术

3．1 沿空留巷巷内支护形式

3．2 充填体和围岩相互作用机理

3．2．1 充填体支护参数计算

3．2．2 巷旁支护体可缩量确定

3．3 本章小结

4 综放沿空留巷围岩稳定性相似材料模拟研究

4．1 相似模型原理

4．2 地质条件

4．3 模型材料与配比

4．4 相似模拟试验与分析

4．4．1 实验目的

4．4．2 试验加载和测试系统

4．4．3 测点布置

4．4．4 相似模型的制作

4．4．5 试验过程

4．4．5 方案对比分析

4．5 结论

5 综放沿空留巷三维数值模拟

5．1 FLAC3D软件介绍

5．1．1 概述

5．1．2 FLAC3D的优缺点

5．1．3 FLAC3D在采矿工程中研究的关键

5．2 三维数值计算模型

5．2．1 主要岩土力学参数

5．2．2 上覆岩层荷载

5．2．3 模型的建立

5．3 模型计算与分析

5．3．1 塑性区计算结果

5．3．2 位移计算结果

5．3．3 应力计算结果

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 建议及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成果