煤柱内沿空巷道采掘应力诱发底鼓机理与控制技术研究

发布时间：2017-04-11 17:02

  本文关键词：煤柱内沿空巷道采掘应力诱发底鼓机理与控制技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：长治、晋城、阳泉等高瓦斯矿井回采工作面常采用多巷布置方法治理工作面瓦斯,在相邻工作面区段煤柱内布置沿空巷道(称为“煤柱内沿空巷道”)可有效减小区段煤柱宽度并保证巷道整体稳定。然而,两侧采动支承压力叠加作用下,煤柱内沿空巷道底鼓强烈,成为制约工作面快速推进的瓶颈之一。本文综合运用理论分析、数值计算、实验室试验、现场试验等方法,系统研究了采掘扰动下煤柱内沿空巷道底板变形破坏过程、底鼓影响因素及影响规律、底鼓控制原理和技术等,取得如下研究成果:(1)研究得到了采掘工程扰动下煤柱内沿空巷道底板主应力演化规律,并采用空间力学模型分析了巷道底板岩层主应力值增量、水平较大主应力与巷道轴向夹角增量(简称为“夹角增量”)对底板岩层应力集中的影响。沿空巷道掘进阶段近水平方向较大主应力增量和夹角增量为巷道底板岩层应力集中的最主要影响因素;二次采动影响期间,底板应力状态变化主要由底板深部岩层近铅垂方向主应力增量引起,水平主应力影响较小。(2)采用弹塑性空间力学模型,在合理煤柱宽度条件下,研究了采掘对煤柱内沿空巷道底板岩层塑性区扩展的作用规律。沿空巷道掘进期间,底板产生较大塑性区,且底角塑性区大于底板中线塑性区;二次回采期间,底板中线塑性区扩展较小,底角处塑性区大范围扩展。(3)结合岩石变形破坏能量理论,推导了受载岩石(体)耗散能比率Rd的计算式,并通过岩石力学试验验证了Rd与巷道底板围岩峰后破坏程度的耦合关系,应用基于FLAC3D开发的Rd计算模块研究分析了煤柱内沿空巷道底板围岩变形破坏过程和底鼓机理。掘进期间,让压煤柱直接底首先积聚高应变能,随后直接底变形破坏程度和范围向沿空巷道另一侧传播,即沿空巷道底板破坏始于让压煤柱一侧并向巷道和承压煤柱一侧底板渐变发展;二次回采阶段,应变能积聚主要发生于沿空巷道承压煤柱帮及其底板,导致底板变形破坏主要向巷道侧向发展,而沿空巷道直接底体现为峰后岩体的再次变形破坏。(4)揭示了原岩及采掘应力场、围岩强度、煤岩接触弱面力学性质等因素对煤柱内沿空巷道底鼓的影响规律。极限储能高的坚硬围岩可有效降低底板岩层的变形破坏程度和底鼓量。煤岩接触面强度越大,沿空巷道底板浅部积聚的应变能越小,底鼓显现越弱,故减小煤岩接触面的破坏也可有效控制底鼓。(5)针对煤柱内沿空巷道底板变形破坏机制,提出了“底板切槽+底角锚杆+墩柱加固”的联合底鼓控制技术。沿空巷道掘进期间,采用底板切槽技术减小浅部围岩水平主应力集中,并研究得到了底板切槽合理尺寸计算式。穿面(指“煤岩接触面”)底角锚杆可强化接触面抗剪强度抑制底鼓,分析了穿面锚杆合理安装角度,以充分加固煤岩接触面。二次回采前采用墩柱加固顶底板,提高顶底板浅部围岩的残余强度和极限储能,抑制沿空巷道强烈底鼓。工业性试验结果表明,研究成果有效指导了潞安集团余吾煤业S1202瓦排巷(煤柱内沿空巷道)底鼓控制,为工作面的快速推进创造了有利条件。
【关键词】：煤柱内沿空巷道 应力演化 耗散能比率 底鼓过程 底鼓控制
【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】：TD327.3
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• Extended Abstract10-25
• 变量注释表25-27
• 1 绪论27-37
• 1.1 研究背景及意义27-29
• 1.2 国内外研究现状29-33
• 1.3 存在的问题33-34
• 1.4 研究内容与方法34-37
• 2 煤柱内沿空巷道底板应力演化规律及形成机制37-66
• 2.1 引言37-38
• 2.2 数值模拟关键问题38-44
• 2.3 区段煤柱底板应力演化数值模拟分析44-48
• 2.4 巷道底板应力形成机制力学模型建立48-54
• 2.5 巷道底板应力形成机制力学分析54-64
• 2.6 本章小结64-66
• 3 煤柱内沿空巷道底板破坏机理研究66-86
• 3.1 巷道底板塑性区力学模型66-68
• 3.2 巷道底板塑性区扩展规律68-69
• 3.3 峰后围岩破坏程度判定指标69-75
• 3.4 底板破坏规律模拟分析75-84
• 3.5 本章小结84-86
• 4 煤柱内沿空巷道底鼓主要影响因素及影响规律研究86-107
• 4.1 数值计算模型建立及主要研究内容86-87
• 4.2 原岩应力对巷道底鼓的影响87-92
• 4.3 煤柱宽度及采高对巷道底鼓的影响92-96
• 4.4 围岩力学性质对巷道底鼓的影响96-100
• 4.5 煤岩接触面对巷道底鼓的影响100-105
• 4.6 本章小结105-107
• 5 煤柱内沿空巷道底鼓控制原理及技术107-119
• 5.1 底鼓控制方法与基本思路107-108
• 5.2 底板切槽控制原理及技术108-112
• 5.3 底角锚杆加固原理112-116
• 5.4 墩柱加固原理116-117
• 5.5 本章小结117-119
• 6 工业性试验119-129
• 6.1 试验巷道生产地质条件119-122
• 6.2 底鼓控制技术122-123
• 6.3 底鼓控制效果分析123-127
• 6.4 本章小结127-129
• 7 主要结论与研究展望129-133
• 7.1 主要结论129-131
• 7.2 创新点131
• 7.3 研究展望131-133
• 参考文献133-144
• 作者简历144-147
• 学位论文数据集147

  本文关键词：煤柱内沿空巷道采掘应力诱发底鼓机理与控制技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：299526