孤岛煤柱采动影响下大巷围岩破坏机理及支护技术研究

发布时间：2020-06-23 10:02

【摘要】：本研究主要针对开滦集团普遍存在的大巷上方孤岛煤柱的回采与支护技术展开,研究中采用理论分析、现场测试、室内试验与计算机数值模拟等多种方法与手段,对开滦集团东欢坨8#煤层孤岛煤柱回采技术方案与下伏大巷应力分布、围岩塑性破坏范围及巷道支护技术展开综合研究,通过分析比较各个研究方法所得结果,具体研究结论包括:(1)实现了孤岛煤柱采动影响与下伏大巷围岩稳定性二者之间的耦合。(2)对双向不等压巷道围岩塑性区边界方程进行推导,得到相应的表达公式,发现,东欢坨矿孤岛煤柱下方大巷稳定性的影响因素包括:(1)与孤岛工作面之间的距离D;(2)支护阻力P;(3)应力集中系数K;(4)侧压系数λ;(5)巷道半径R;(6)巷道围岩性质(围岩内聚力C、围岩内摩擦角Φ)。在此基础上,进一步得到各因素对大巷围岩稳定性的影响特征:(1)巷道支护阻力P增加对围岩塑性区分布范围有限,当支护阻力从零开始增加过程,塑性区减小较为明显,但阻力增加对围岩塑性区破坏范围的影响整体有限,也即单纯依靠增加支护密度从而提高支护阻力,对围岩塑性区的控制效果有限。(2)对大巷与孤岛煤柱之间距离D的研究中发现,巷道围岩塑性破坏范围与大巷之间距离小于25m时呈线性增长,距离75m以后,巷道围岩塑性破坏范围基本保持在1m左右,也即认为8#残留孤岛煤柱对底板采动的影响范围约75m。(3)对应力集中系数K对巷道围岩塑性区分布范围的研究发现,应力集中系数与围岩塑性区成线性关系,也即随着孤岛工作面应力集中系数的增加,围岩塑形区也相应扩大。因此,在孤岛工作面回采过程中,通过调整回采技术参数来控制应力集中系数,找到对下伏大巷的围岩稳定最有利的参数。(4)在对侧压系数λ逐渐增加对巷道两帮塑性区的影响的研究中,发现侧压系数增加对两帮的影响以1为分界线,当侧压系数小于1时,随着侧压系数增加,巷道围岩塑性区逐渐减小;当侧压系数大于1时,随着侧压系数增大,巷道围岩塑性区范围逐渐增大。(5)在对巷道半径R与围岩塑性区关系的研究中发现,二者呈线性关系,也即巷道半径增加,围岩塑性区也相应扩大,因此在满足通风、运输等要求的前提下,控制巷道半径对于围岩稳定性有利。(6)在对围岩内摩擦角Φ对巷道围岩塑性区的影响研究中发现,增加围岩内摩擦角到32°情况下,巷道围岩塑性区半径呈现明显降低趋势,但是,当围岩内摩擦角增加超过32°,围岩塑性破坏区域反而呈现增加趋势,这一结果为后续制定支护参数提供重要依据,也即单纯依靠增加支护密度实现残余内摩擦角的增加对于巷道围岩破坏区的控制有一定的限制。(7)在对围岩内聚力C对巷道围岩塑性区分布的影响研究中,当逐渐增加围岩内聚力C时,C值在3MPa以下对巷道围岩塑性区的分布范围有效减小,继续增加C值,对围岩塑性破坏区的影响范围有限,与围岩内摩擦角相同,在采动影响下,对大巷的维护单纯依靠增加支护体密度的效果有限。在上述研究成果的基础上,结合东欢坨矿一般性参数,得到孤岛残留煤体回采造成底板双向不等压条件下的巷道围岩塑性区形态特征,也即巷道围岩出现“X”型破坏。(3)结合大巷围岩稳定性影响因素K的特征,得到孤岛煤柱开采的最优回采技术参数,也即工作面一次全高开采、留3m小煤柱、日进尺为3m。(4)在确定最优回采技术参数与支护效果达到预期目标的基础上,对下伏大巷围岩塑性区破坏特征展开进一步研究,发现,大巷“X”型破坏特征消失,围岩呈现均匀破坏,且范围降低,为进一步优化支护方案与参数提供基础依据。(5)为了保证大巷围岩稳定性,在上述研究成果的基础上,进一步对大巷支护方案与参数进行了优化研究,确定在原支护方案的基础上,向大巷四角增打四根锚索,以控制X型四角的破坏特征;同时,将原锚杆支护参数800mm×800mm优化为900mm×900mm。另外,论文研究中,先后对底板应力分布、下伏大巷塑性区破坏及影响因素、回采技术参数对下伏大巷的影响展开研究,以及针对底板大巷特点进行支护方案的优化,具体创新点包括:(1)理论上推导了孤岛工作面回采过程对底板支承应力分布的计算公式,得到底板任一点的应力分布表达式,在确定了底板大巷围岩稳定性的影响因素基础上,结合孤岛煤柱开采与底板大巷围岩稳定性之间的耦合关系,确定孤岛煤柱最优回采技术方案。(2)结合双向不等压巷道围岩塑性区分布进行计算分析,同时得到影响大巷围岩塑性区分布范围的因素,在此基础上,得到受孤岛煤柱采动影响,底板大巷围岩塑性区破坏呈“X”型,并最终确定了针对大巷围岩塑性破坏形式的支护优化方案与参数。(3)从工作面回采技术参数与下伏大巷稳定性两个方面着手,应用理论分析与数值模拟两种方法,确定了孤岛煤柱最优回采技术参数。本论文的研究针对开滦矿区大巷上覆残留孤岛煤柱的回采与大巷支护技术展开,通过对以东欢坨矿为代表性的-480水平南翼运输大巷上覆残留孤岛煤柱的回收与大巷的支护进行计算分析,发现8#孤岛煤柱回采可直接增加回采经济利润7390万元;此外,通过采用优化支护方案,可以明显降低下伏大巷支护成本92.6万元。本论文的研究中针对的是开滦集团回采中存在的共性问题,没有针对具体矿井,以理论分析与室内试验、计算机数值模拟实验为主要方法,需要进一步结合得出的下伏大巷“X”型破坏形式与优化后的孤岛煤柱回采技术方案以及支护技术展开工业性试验,验证其现场实用性。
【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】：TD353
【图文】：

围岩变形破坏,水平轨道,状况,煤体

（a）大巷围岩破裂状况（b）巷道卧底量大图 1.1 -480 水平轨道大巷围岩变形破坏状况Fig.1.1 The deformation failure status in -480 horizontal track roadway surrounding rock mass1.2 国内外研究现状1.2.1 孤岛残留煤体回采技术研究目前，对孤岛煤柱的研究主要集中在覆岩运动与动力灾害的预测、预报及防治上[2-8]。张恒[9]对在采动影响前后，孤岛工作面上覆岩层的断裂破坏特征及工作面煤体内的支撑压力分布的规律进行研究，利用组合梁理论，得出在充分采动和非充分条件下孤岛煤体上覆岩层的断裂高度，及“凹，凸”两种不同的破坏状态，认为两侧采空范围是影响覆岩断裂高度和煤体支撑压力分布状态的主要因素。姜福兴等[10]采用微震监测技术，对孤岛工作面煤体在两侧采空区不规则条件下的冲击失稳性做了研究，提出了失稳分析方法及工作面前方煤体内支承压力的

无限平面,集中力

1 引言缓慢增加且增加的速率越来越小，而底板两布。断层构造下的采场应力分布特征进行研究，累了大量变形能，工作面在碰到断层时，上导致断层附近应力激增，发生大滑移。于丰富的地应力测量数据，分析了深部条件下应力分布，认为深部的煤矿，开采引起的采将巷道布置在低应力区，改善巷道受力状态生时，底板发生应力传播现象，基于土力学进行传播，影响范围到达 M 点，具体如图 1得水平应力z的表达式，具体如式（1.1）所示

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