深井综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律及其控制机理研究

摘要

煤炭是我国主要能源，随着煤炭的连续开采，浅、表部煤炭资源越来越少，目前已转向深部煤层的开采。为了提高综放开采煤炭的回收率，国内学者提出了采空区一侧回采巷道采用留窄煤柱沿空掘巷的方法。综放面窄煤柱由于受到动压的影响，其破坏规律异常复杂，这导致煤巷锚杆支护技术遇到极大的挑战。开展该项研究对降低煤炭开采损失、减少巷道支护和维护成本、提高经济效益、保证矿井安全生产等具有重要意义。 本论文以甘肃靖远煤业集团公司魏家地煤矿为依托，采用现场试验、理论分析、数值模拟的综合方法对高应力煤柱的物理力学特性、破坏模式、受动压影响的煤体损伤及破坏规律、煤柱最优留设尺寸、支护方案优化设计进行系统的研究，目的是对综放面合理留设煤柱尺寸及其支护设计提供理论依据。 通过对综放面沿空掘巷上覆岩体垮落运动规律的研究，基本项初次来压形成“O-X”破断，基于综放沿空掘巷上覆岩体结构的关键块的观点，对该结构中的关键块的特征参数进行了研究。建立合理的分析模型，分析了综放沿空掘巷上覆岩体结构在巷道掘进前、掘进时、掘进后的稳定性，揭示了该类巷道围岩大变形受上覆岩体结构稳定性影响的规律。 通过综合分析厚煤层综放沿空掘巷窄煤柱的力学状态和破坏机理，得出了综放面沿空煤体边缘依次为卸载松散区、塑性强化区、弹性变形区、原始应力区，并得出了沿空煤体边缘应力极限平衡区内任意一点的应力和屈服区宽度计算公式。窄煤柱处于边缘煤体支承压力降低区和沿空煤体屈服区，在沿空掘巷采动影响下，窄煤柱将受到破坏后再破坏，通过加强支护可以改善煤柱的破坏程度，保持煤柱稳定性，并探讨了窄煤柱宽度合理确定方法。 通过对沿空掘巷围岩变形破坏规律及锚杆与围岩相互作用机理研究，认为：由于窄煤柱受上区段采空区侧向支承压力的影响，强度低，承载能力小，在本工作面的采动影响下窄煤柱发生变形破坏，将支承压力大部分转移到实体煤帮，使得实体煤帮的变形急剧增大，围岩难以控制，因此提高窄煤柱的稳定是控制沿空巷道围岩的关键。提出了沿空掘巷窄煤柱巷道围岩控制的基本原理。 采用FLAC3D对魏家地煤矿X1-107综放工作面两道进行了数值模拟研究，掌握极软、特厚孤岛综放工作面锚杆、锚索联合支护巷道的矿压显现规律和锚杆、锚索支护效果，确定合理的煤柱宽度、支护形式和支护参数。 对魏家地煤矿X1-107工作面风巷和机巷围岩稳定状况、锚杆工况等进行了全面的监测，工程实践表明窄煤柱是沿空掘巷稳定的关键，加强窄煤柱的支护，既提高了窄煤柱承载能力，减少三角块回转下沉，控制顶煤的下沉量，又维护了窄煤柱自身稳定，减少两帮相对移近量，保证巷道围岩整体稳定。X1-107工作面风巷、机巷顶板及两帮采用高强度螺纹钢锚杆支护、并对顶板采用小孔径预应力锚索加强支护，有效地保持了围岩稳定。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.1.1选题背景

1.1.2研究意义

1.2本课题研究的国内外发展现状

1.2.1综放沿空掘巷上覆岩体结构特征及其稳定性研究现状

1.2.2沿空掘巷窄煤柱稳定性研究现状

1.2.3综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究

1.3本论文的研究内容

1.4本论文的研究方法与技术路线

1.4.1论文的研究方法

1.4.2论文研究的技术路线

2沿空掘巷上覆岩体结构及其稳定性研究

2.1综放沿空掘巷的基本特点

2.1.1巷道围岩性质

2.1.2巷道围岩力学环境

2.1.3巷道的维护特点

2.2综放沿空掘巷上覆煤岩体破断结构特征

2.2.1关键层理论简介

2.2.2综放沿空掘巷老顶破断的基本规律

2.2.3综放沿空掘巷上覆岩体破断结构

2.3综放沿空掘巷围岩关键块体结构力学模型

2.3.1关键块B力学模型的建立

2.3.2关键块B参数研究

2.4综放沿空掘巷上覆岩体破断结构稳定性分析

2.4.1掘巷前上覆岩体结构稳定性分析

2.4.2掘巷后上覆岩体结构稳定性分析

2.4.3采动影响时上覆岩体结构稳定性分析

2.5本章小结

3沿空掘巷窄煤柱力学状态及其稳定性研究

3.1沿空掘巷窄煤柱的基本特征

3.2沿空煤体边缘力学状态分析

3.2.1沿空煤体边缘应力分布

3.2.2沿空煤体边缘力学状态分析

3.2.3采空区边缘煤体应力随时间分布状态

3.2.4采空区边缘煤体垂直应力与水平应力特点

3.3沿空掘巷窄煤柱应力分析及变形破坏机理

3.3.1沿空掘巷窄煤柱应力分布

3.3.2沿空掘巷窄煤柱力学分析

3.3.3沿空掘巷窄煤柱变形破坏机理

3.4沿空掘巷窄煤柱宽度的合理确定

3.4.1沿空窄煤柱巷道煤柱宽度留设的基本原则

3.4.2沿空巷道窄煤柱宽度的合理确定

3.5本章小结

4沿空掘巷围岩综合控制机制

4.1沿空掘巷的围岩变形破坏特征

4.2沿空掘巷窄煤柱巷道锚杆支护原理

4.3沿空掘巷窄煤柱巷道锚杆与围岩相互作用机理

4.3.1锚杆支护提高锚固体力学参数

4.3.2锚固体破坏类型

4.3.3改善锚固体变形力学性能

4.4沿空掘巷窄煤柱巷道围岩控制理论

4.4.1沿空掘巷窄煤柱巷道支护原理

4.4.2沿空窄煤柱巷道支护的关键问题

4.5本章小结

5沿空掘巷窄煤柱支护方案设计与数值模拟

5.1魏家地煤矿支护现状及其工程地质条件

5.1.1工作面地质概况

5.1.2工作面煤层结构及储量

5.1.3工作面巷道布置

5.1.4工作面巷道的支护条件

5.2理论计算

5.2.1上覆岩层结构稳定性分析

5.2.2窄煤柱的稳定性及合理宽度确定

5.3三维数值模拟研究

5.3.1 FLAC3D简介

5.3.2数值模拟条件

5.3.3锚杆、锚索联合支护数值模拟结果分析

5.3.4几种可行支护设计方案计算分析与优化

5.3.5煤柱合理宽度优化计算与分析

5.4.理论计算与数值模拟结果分析

5.5沿空掘巷锚杆支护方案的确定

5.6本章小结

6沿空窄煤柱巷道支护技术效果分析与评价

6.1魏家地煤矿沿空掘巷矿压演化规律监测方案设计

6.1.1矿压观测的主要内容

6.1.2测站测线布置

6.2掘巷期间巷道矿压观测

6.2.1巷道表面收敛及收敛速度

6.2.2巷道深部位移

6.2.3巷道顶板离层量

6.2.4锚杆轴力

6.3回采期间沿空巷道矿压观测

6.3.1巷道表面位移

6.3.2巷道围岩静动态松动范围

6.4现场观测结果分析

6.4.1掘巷期间巷道矿压观测分析

6.4.2回采期间巷道矿压观测分析

6.5沿空巷道锚杆支护效果与存在问题

6.5.1沿空巷道支护效果评价

6.5.2沿空巷道支护存在问题

6.6本章小结

7结论

7.1主要结论

7.2展望

致谢

参考文献

附 录 攻读博士学位期间发表的论文和获奖情况