深井综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律及其控制机理研究.doc

深井综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律及其控制机理研究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,基本顶初次来压形成“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FLAC^3D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。