厚层放顶煤小煤柱沿空巷道采动影响段围岩变形机理与强化控制技术研究

发布时间：2020-08-03 18:26

【摘要】：小煤柱沿空掘巷是综放工作面实现连续生产、快速接替、提高煤炭资源采出率的重要支撑技术,在我国矿井应用十分广泛。由于沿空掘巷位于采空区边缘,服务期间经受上工作面老顶侧向破断结构和本工作面采动影响,巷道围岩应力环境恶化,围岩稳定性受到破坏,严重困扰着沿空掘巷技术的现场应用。本文采用理论分析、数值计算和相似材料模拟相结合的研究方法,以采空区老顶侧向破断特征为切入点,研究了上工作面和本工作面回采过程中老顶两次破断结构特征以及对沿空巷道围岩应力的扰动规律,揭示了沿空巷道围岩变形破坏机理,提出了通过控制小煤柱和底板变形的围岩强化控制技术。主要成果如下:(1)综放工作面一次采动时侧向老顶“三铰拱”结构在破断块体铰接点处产生极大的水平推力,对侧向煤体应力扰动剧烈。本工作面煤柱上方、破断老顶铰接区域及工作面内部等位置超前支承压力影响距离及应力集中系数等方面存在差异,其中煤柱上方应力分布受侧向老顶两次破断结构影响,并且在不同煤柱尺寸条件下其影响主导地位不同。(2)揭示了本工作面老顶侧向破断形式与煤柱尺寸之间的关系:小煤柱时侧向老顶由“固支梁”破断变为“铰支梁”破断,破断岩块长度较大并在一定条件下发生二次破断,得到随煤柱尺寸增加,巷道围岩变形由煤体强度主导向采动应力主导转变的结论。(3)根据对小煤柱受力特征和变形规律的研究,分析了小煤柱的变形失稳机理。提出了煤柱内部变形中性面的概念,中性面可以作为锚杆锚固的基点,锚杆支护可显著增大煤柱中性面极限承载区的宽度与承载能力,实现小煤柱的稳定,形成了基于中性面的全塑性小煤柱强化控制技术。(4)开展了在非对称垂直压力作用下沿空巷道底鼓机理研究,得到了硬软层组合底板发生弯曲破断和错纵剪切抬升的判别公式,垂直压力作用下,上位硬层的破断是底板变形的分界点:初期硬层弯曲主导底板鼓起,限制下部软层变形,后期硬层破断使软层失去束缚,软层的破碎滑移成为底板变形的主体。(5)根据沿空巷道底板变形特点,通过锚杆预紧力将底板岩层组合在一起,增加其抗弯强度的同时提高层间抵抗滑移剪切的能力,限制软弱岩层的滑移空间,形成了整体滑移型底鼓限制技术。上述研究成果应用于庞庞塔煤矿704工作面运输平巷进行的工业性试验,取得了成功。该论文有图137幅,表14个,参考文献153篇。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD353
【图文】：

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本文编号：2780028