赵庄矿E13052巷道位置选择及围岩稳定性控制技术

发布时间：2020-06-05 00:52

【摘要】：在煤炭发掘历程中,开采逐渐趋于深部环境,普遍地应力增大,岩石构造、节理裂隙发育明显,对巷道的稳定及围岩控制带来极大的挑战。本文针对晋煤集团赵庄煤业在准备开采E1305工作面时因计划复用的上区段工作面E13065巷由于煤体破碎出现坍塌垮落,破坏严重的问题。提出采用在E13065巷实体煤侧新掘巷道留设小煤柱掘巷,考虑煤体破碎的特征,应用理论分析,数值模拟和现场实测的研究方法,对临空区域巷道位置的选择进行系统的研究,分析得到合理的留设煤柱宽度和支护方案,并指导矿方的生产实施。取得主要成果如下:(1)现场符合临空区域内的二次开采扰动,建立临空区域覆岩结构模型,研究在破碎煤体条件下临空区域上覆岩层的垮落规律,分析上覆岩层的垂直压力分布特征及小煤柱的承载能力,初步理论计算确定小煤柱合理宽度范围。(2)通过有限差分软件FLAC3D模拟不同宽度煤柱的条件下巷道在掘进和回采时围岩应力、位移及塑性区演变规律,对模拟结果进行可视化数据分析,得到不同煤柱宽度、不同时期的围岩应力场及位移场等值线云图和塑性区分布图,确定了合理的小煤柱宽度为12m。(3)分析破碎煤体条件下巷道围岩受扰动变化规律及控制原理,分析支护体与围岩的作用机理,提出采用锚索网W钢带联合支护来控制巷道在掘进以及工作面回采时的围岩变形。通过理论计算出巷道顶板及两帮所需的锚杆锚索支护参数大致范围,提出五种支护对比方案。采用FLAC3D数值模拟巷道在掘进和E1305工作面回采期间五种支护参数下围岩应力、位移及塑性区演变规律,对比分析得出最优方案四:帮部五根全长锚固锚杆,三根加长锚固锚索;顶板五根加长锚固锚索支护。(4)12m煤柱及支护方案四:帮部五根全长锚固锚杆,三根加长锚固锚索;顶板五根加长锚固锚索支护。工程实施于E1305工作面,根据在巷道掘进期间及工作面回采期间的巷道变形量及锚杆受力情况进行实测研究并分析了巷道支护设计的合理性和围岩控制的有效性,确保回采巷道围岩的稳定性和生产的安全性。通过系统研究与分析,设计的12m的煤柱宽度与巷道支护参数成功应用于E1305工作面的工程实施。使巷道围岩稳定性得到良好的控制,提高了煤层的回采率,具有重要的现实的经济意义。
【图文】：

固支梁,力学模型

围岩控制技术研究，现对此三方面的研究综述如下。1.2.1 临空区域内上覆岩层运移规律研究现状早在 19 世纪初，国外学者就对地下开采活动造成上覆岩体结构发生改变的规律进行了研究。起初的学者以“固支梁”、“简支梁”和“板”为理论构件力学模型，“固支梁”假说认为当相邻采区未开采或不受断裂影响时，且回采工作面上方有强度高岩层存在，其下方软岩层垮落后，不能充满采空区，且工作面长度远大于跨度时，可以认为位于工作面上方的强度高（硬且厚）岩层是插入前后方岩体中的无数个单位宽度的固支梁，如图 1-1 所示。“简支梁”提出当相邻采区采空或受断裂影响时，且回采工作面上方有强度高岩层存在，其下方软岩层垮落后，不能充满采空区，且工作面长度远大于跨度时，可以认为位于工作面上方的强度高（硬且厚）岩层如同无数个单位宽度的简支梁。“板”学说认为把煤层上方岩层看作厚度不同的岩板组成。从开切眼开始随工作面推进，岩板面积不断增大，当岩板弯矩产生拉应力大于岩板抗拉强度时，岩板破坏。垮落前采场在其保护之下，以上岩层载荷通过这个板传递到采空区周围的煤壁或煤柱上去。

悬臂梁,力学模型,压力拱

图 1-2 “悬臂梁”力学模型Figure 1-2 Mechanical model of "cantilever beam" 年德国学者哈克和吉利策尔提出“压力拱”为理论构建力学开采后上覆岩层的力以拱的形式作用于采场，采场中间以拱的形式作用于采空区垮落矸石之上和工作面前方煤体之上，三间为卸压区，当前后拱脚岩性一样时，压力拱为对称拱，否则说的不足在于未给出岩层移动（拱运动）的力学关系，对于采现象及采场支架与围岩关系未作解释，，如图 1-3 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD353

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