高突矿井巷内充填沿空掘巷的围岩控制机理

发布时间：2020-06-12 09:09

【摘要】：如何加快掘进效率、缓解采掘接替紧张是高瓦斯矿井亟需解决的问题。合理利用煤层内部瓦斯压力降低区域,减少防突措施执行频率,可有效提高掘进效率。本文以宣东二号煤矿Ⅲ3302工作面巷内充填沿空掘巷为研究对象,通过室内试验、理论计算、数值模拟、现场监测等手段,研究如何在大采深、高瓦斯的矿井中实施沿空掘巷。文章以高水材料为主料,研制符合矿山要求的充填料浆并给出其组成与配比,对充填体的性能以及影响因素进行了实验研究;分析巷内充填体上覆岩层的断裂结构,给出充填体与直接顶、基本顶之间的协调变形关系;提出了充填体、关键块体B稳定的条件与判断公式;建立了煤柱-充填体的力学结构模型,分析煤柱与充填体之间的力学关系;利用数值计算方法对影响煤柱塑性区宽度的因素进行了分析;揭示了不同煤柱宽度、不同充填体强度下的围岩变形破裂规律;提出高瓦斯矿井沿空掘巷煤柱宽度的综合确定方法,确定了煤柱宽度的合理范围;将以上研究在工程实践中进行应用,通过现场数据监测,验证了在高瓦斯矿井中进行巷内充填沿空掘巷的可行性。文章的主要研究内容有以下几点:(1)研制了符合矿山工程要求的充填料浆,给出其具体组成与配比;对充填体的力学性能以及影响因素进行分析;建立了充填体抗压强度的二元回归数学模型;对井下现场的充填工艺流程、参数进行说明。(1)研究了符合现场工程要求的充填料浆,确定了充填料浆的水灰比1.5:1、矸石掺量10%。对充填体的力学性能以及影响因素进行了试验研究与分析。(2)利用Matlab数学软件,建立二元回归模型,经过回归分析和检验,建立抗压强度数学预测模型,并对预测数据进行误差分析。(3)对井下巷内充填的充填工艺参数、工艺流程、充填体的加强结构进行了详细介绍。(2)简化了充填体与上部岩层的力学关系,推导出巷内充填体的切顶阻力、切顶高度的计算公式,对充填体上方顶板围岩的断裂结构进行分析;研究充填体与顶板之间的协调变形关系;分析顶板断裂后关键块体B与充填体保持稳定的判断条件。(1)分析了充填体上方覆岩的断裂形式,简化巷内充填体与顶板的力学模型,推导出巷内充填体的切顶阻力、切顶高度的表达式。(2)给出了关键块体B与下沉量ΔS_B、旋转角度α之间的关系,以及其自身稳定性的判定条件。分析了巷内充填体与直接顶、基本顶之间的协调变形关系。(3)研究了充填体在水平方向上的稳定性,认为充填体采空侧的受力可以近似利用朗肯土压力公式进行计算,提出了充填体保持平衡的条件。(3)以煤柱-充填体作为研究对象,建立了煤柱-充填体接触面力学模型,分析巷内充填沿空掘巷煤柱-充填体的受力特点;研究煤柱与充填体之间的力学关系,并分别计算应力极限平衡区的范围;分析了瓦斯压力、支护阻力、煤体内聚力等对围岩塑性区的影响;建立数值模型对不同支护方案进行了数值分析。(1)研究了沿空掘巷窄煤柱的留设特征以及破坏机理,对煤柱、充填体所能承受的极限强度(σ_(Jm)、σ_(Jc))进行了计算。(2)建立煤柱-充填体力学关系模型,对煤柱与充填体接触面进行力学分析,得出煤柱与充填体之间作用力F_0的表达式,为进一步分析煤体与充填体之间的关系提供帮助。建立煤柱-充填体两帮力学模型,分别给出煤柱与充填体各自塑性区的计算表达式。(3)利用数学计算软件Matlab,分析了沿空掘巷巷道周围塑性区半径与充填体强度、煤层瓦斯压力、支护阻力、煤体内聚力之间的关系。(4)提出巷内充填沿空掘巷的煤柱-充填体宽度的确定方法,认为高突矿井巷内充填沿空掘巷的煤柱-充填体宽度需结合理论计算、数值模拟、工程实践、瓦斯压力测量等范围共同确定。(5)研究深部围岩巷道与支护的关系,给出了巷道的变形曲线,同时对支护阻力、围岩塑性区半径、巷道周边的位移之间的关系进行了分析。(4)对覆岩关键层岩芯取样进行力学性质测定,采用应力解除法进行地应力测量,得到了煤层上方的原岩应力分布情况,为数值模拟分析提供了更加准确的数据。利用Flac3D数值模拟软件,分析了不同煤柱宽度、不同充填体强度下沿空掘巷巷道的围岩应力与位移情况。(1)对关键岩层进行岩芯取样,并对岩石的力学参数进行测定。利用应力解除法,选用空心包体计进行地应力水平测量,得出矿井原岩应力以水平构造应力为主,最大主应力和中间主应力相差较小,竖向应力为最小主应力,以及各方向应力的数值变化范围。(2)建立数值模型,模拟煤柱宽度分别为2m、3m、4m、5m、6m时(充填体强度10MPa),充填体强度分别为12MPa、10MPa、9MPa、8MPa时(煤柱宽度4m)的沿空掘巷巷道的应力变化与位移情况。(3)通过对数值模拟的结果分析,得出数值模拟条件下的沿空掘巷煤柱宽度的范围。(4)根据现有的支护构件的具体参数,建立模型并对不同支护方案进行数值分析,得出沿空掘巷巷道的最佳支护参数,确定巷道的支护方案。利用数值模拟,分析了该支护方案下的巷道围岩变形情况。(5)通过理论计算、数值模拟、工程实际等综合确定煤柱的合理宽度。利用巷道表面位移、顶板离层监测、支护构件受力、顶板钻孔窥视等手段对沿空掘巷的巷道在掘巷和回采期间的矿压观测数据进行分析,得出在高突矿井中实施巷内充填沿空掘巷可明显提高掘进效率,具备可行性。(1)通过对煤层瓦斯压力、钻屑量的数据测量与计算,得出瓦斯压力小于0.74MPa或瓦斯含量低于8m~3/t的区域范围,结合沿空掘巷煤柱宽度的理论计算、数值模拟分析、现场获取的监测数据等最终确定了宣东二号煤矿采用巷内充填沿空掘巷的煤柱宽度。(2)对充填体所受的压力变化进行监测,监测数据表明充填体的受力均在其极限强度范围内,给出了工程实际应用中的巷道支护参数。(3)利用表面位移观测、顶板离层观测、支护构件的受力监测以及顶板钻孔窥视等手段,对巷道掘进期间、回采初期进行矿压观测,分析了巷道围岩的变形与破坏情况。(4)通过支护构件的受力监测分析,得知沿空掘巷的受力主体是实体煤帮,它承载了大部分上覆岩层的重量。支护构件受力检测显示,回采期间支护构件受采动影响较大,已经接近承载极限。个别地段顶板变形破坏严重需要加强维护。(5)通过顶板钻孔窥视,分析了掘进与回采期间,顶板深部围岩随工作面推进的破坏情况,其中掘进期间围岩未见明显破坏,巷道的支护设计方案对围岩的变形起到了明显的控制作用,回采期间围岩与工作面距离的越近,破坏也越严重。
【图文】：

曲线,高水速凝材料,强度发展,曲线

中国矿业大学（北京）博士学位论文对高水材料试块进行强度测试。按照水泥标准养护条件，抗压强度测定。参照 GB/T17671-1999 标准进行强度的实采用普通的单轴抗压强度实验，抗剪强度采用角模实验，法实验，，其实验测定结果如表 2.1 所示：表 2.1 不同龄期的试块强度Tab2.1 Different age test block strength抗压强度(MPa) 抗折强度(MPa) 抗拉强3.7 1.4 05.9 2.5 07.64 3.6 010.86 4.1 0

钙矾石,晶体结构

2 充填材料及其工艺水速凝材料的甲料和乙料两种单独放置的浆液进行混合后有大量的针状钙矾石的晶体结构生成。这是前期高水速凝反应速度很快，因此在高水材料试块养护前期，材料的抗龄期的不断变长，反应速度逐渐放慢，材料的抗压强度的高水速凝材料的强度发展曲线与力学指标进行测定，结果材料的微观特性料硬化体的微观分析包括两部分，第一是微观形貌，第二是料的硬化体的微观形貌和物相结构在不同的时期具有不同固化初期，物相以针状钙矾石为主，但是随着环境和温度的渐的发生变化而生成其他物质。一般来讲，高水材料中的比在 80%以上。钙矾石呈三方晶系，柱状结构。随着环境逐渐发生变化，生成其他物质。钙矾石的晶体结构如图 2
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD263;TD353

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