【摘要】：近些年,煤礦開(kāi)采的發(fā)展更加趨向于高效、節(jié)約化,無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)作為科學(xué)高效開(kāi)采的重要技術(shù)之一得到了廣泛的應(yīng)用。較厚軟弱頂板煤層分布廣泛,但由于軟巖巖層松散、破碎、強(qiáng)度低、上覆巖層運(yùn)移復(fù)雜等特性,致使沿空留巷難以實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)以上難題運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析、數(shù)值模擬、相似試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)等研究方法,對(duì)厚層軟巖頂板巷道物理力學(xué)特性、覆巖運(yùn)移規(guī)律、沿空留巷圍巖穩(wěn)定性、厚層軟巖預(yù)裂充填支承結(jié)構(gòu)特征以及預(yù)制裂縫的擴(kuò)展、貫通機(jī)理展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作和研究成果包括以下幾個(gè)方面:(1)對(duì)厚層軟巖巷道圍巖的物理力學(xué)特性開(kāi)展試驗(yàn)研究,得到了煤(巖)樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力等物理力學(xué)參數(shù)。通過(guò)巷道深部圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)厚層軟巖巷道頂板破碎、裂隙發(fā)育及完整范圍,得到巷道采空側(cè)懸頂長(zhǎng)度。(2)建立了預(yù)裂斷頂角度分別為向巷道采空側(cè)偏轉(zhuǎn)、向巷道側(cè)偏轉(zhuǎn)和垂直巷道頂板三種斷頂方式結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,通過(guò)分析軟弱頂板彎曲變形規(guī)律可知:預(yù)制裂隙偏角對(duì)頂板下沉量影響明顯。構(gòu)建了不同垮落充填體彈性系數(shù)條件下上部穩(wěn)定巖層平面力學(xué)模型,研究結(jié)果表明:隨著彈性系數(shù)的增加,將降低巖體受到的拉應(yīng)力,制約上位穩(wěn)定巖層剪切應(yīng)力集中程度,有利于保持巖體的完整性。分析了沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)在不同回轉(zhuǎn)角度時(shí)應(yīng)變能的變化趨勢(shì),結(jié)果顯示:均布載荷對(duì)上位穩(wěn)定巖層產(chǎn)生的應(yīng)變能隨彎曲下沉量的增加呈線性積聚,上位穩(wěn)定巖層與厚層軟弱巖層應(yīng)變能呈指數(shù)增加,實(shí)體煤壁隨著回轉(zhuǎn)下沉量的增加應(yīng)變能急劇速率降低。(3)根據(jù)厚層軟巖的賦存特點(diǎn),建立斷頂角度分別為-5°、0°、5°、10°及15°條件下離散元三維計(jì)算模型。經(jīng)分析巷道實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力分布特點(diǎn)及塑形損傷范圍可知:斷頂角度為5°時(shí)降低了巷道實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力集中,緩解了煤層開(kāi)采對(duì)巷道頂板的擾動(dòng)和承載能力的損失,垮落充填體有效的支撐巷道采空側(cè)上覆巖層。當(dāng)沿空留巷位于傾斜煤層時(shí),垮落充填體位于留巷煤壁上幫時(shí),留巷區(qū)域圍巖變形和塑性損傷較垮落充填體位于下幫煤壁更明顯,在開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)力分布波動(dòng)幅度更加明顯,更容易導(dǎo)致沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。(4)建立預(yù)制裂縫間隔分別為0m、0.5m、1m、1.5m及2m條件下三維計(jì)算模型,通過(guò)分析預(yù)制裂縫周?chē)綉?yīng)力、塑性損傷演化規(guī)律及裂縫擴(kuò)展能量耗散特征可知:預(yù)制裂隙間隔為1m時(shí),較好地卸除了留巷初始段應(yīng)力集中,預(yù)制裂縫及時(shí)擴(kuò)展、貫通,有效的控制了周?chē)鷰r體剪脹損傷及能量集聚耗散過(guò)程,有利于巖層的協(xié)調(diào)跨落。隨著埋深的增加,沿空留巷周?chē)鷰r體的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力以及剪切應(yīng)力水平將不斷增加。預(yù)制裂縫周?chē)鷰r體在拉伸和剪切的作用下發(fā)生塑性損傷,預(yù)制裂縫周?chē)鷰r體以剪切破壞為主,當(dāng)預(yù)制裂縫相互貫通后,周?chē)鷰r體以拉伸破壞為主。(5)用相似材料試驗(yàn)對(duì)斷頂充填沿空留巷上覆巖層的運(yùn)移特征和礦山壓力變化規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:預(yù)裂爆炸應(yīng)力波的主頻帶主要集中在30HZ左右,預(yù)裂爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在沿空留巷采空側(cè)軟巖中傳播損耗較大,在上位較為堅(jiān)硬巖層中傳播損耗較小。因此,預(yù)裂爆破對(duì)沿空留巷上位巖層擾動(dòng)較小,有利于上覆砌體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。預(yù)制裂縫不僅有效卸除超前支承應(yīng)力形成的應(yīng)力集中,隔離開(kāi)采擾動(dòng)和軟弱巖層垮落對(duì)沿空留巷圍巖的擾動(dòng)影響,而且在沿空留巷采空側(cè)形成的垮落碎脹充填支撐結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),緩解高位巖層旋轉(zhuǎn)、破斷形成的沖擊載荷,減小沿空留巷圍巖的變形。(6)在山西長(zhǎng)興煤業(yè)5203回風(fēng)巷道成功地實(shí)施了厚層軟弱頂板預(yù)裂充填沿空留巷,有效地解決了厚層軟弱頂板條件下難以沿空留巷的難題,取得了良好的應(yīng)用效果。留巷圍巖來(lái)壓和位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:工作面后方10～15m范圍為圍巖變形和來(lái)壓劇烈區(qū);工作面后方16～25m位移變化速率逐漸減小,留巷來(lái)壓逐漸降低;工作面后方大于40m為穩(wěn)定區(qū),圍巖變形較小,來(lái)壓趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)成功證明了預(yù)裂充填沿空留巷方法及本研究結(jié)論的合理性和可靠性。
【圖文】：

注水、爆破弱化的機(jī)理，制定了頂煤注水、頂煤爆破、頂板預(yù)裂爆破等各項(xiàng)技術(shù)措施的具體參數(shù)，形成一套對(duì)提高兩硬厚煤層綜放工作面行之有效的頂煤弱化技術(shù)，，頂板預(yù)裂爆破孔布置圖如圖1-1和1-2所示[125]。

圖1-2綜放工作面切眼炮孔布置刨面示意圖Figure 1-2 Sketch map of cutting hole layout in fully mechanized caving face殷鵬飛，楊圣奇等指出，不同力學(xué)性質(zhì)巖層組合而成的厚層巖層中，裂隙力學(xué)特性和裂紋擴(kuò)展、破壞模式等與單一巖層不盡相同，并通過(guò)對(duì)兩種力學(xué)性質(zhì)差異明顯的軟硬巖石材料組成的厚層巖石材料作為模擬模型進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到了不用厚層巖層夾角與加載力方向條件下單裂隙在厚層巖層中的擴(kuò)展過(guò)程以及最后貫通破壞模式[126]。1.4研究?jī)?nèi)容、方法及技術(shù)路線（Main Research Contents）1.4.1 研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)厚層軟巖巷道收斂變形大，難以實(shí)現(xiàn)沿空留巷的難題，綜合運(yùn)用理論計(jì)算、物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等研究手段，對(duì)厚層軟巖頂板條件下沿空留巷關(guān)鍵預(yù)裂斷頂參數(shù)、圍巖位移規(guī)律、應(yīng)力分布特征、塑性區(qū)擴(kuò)展演化機(jī)理及能量耗散過(guò)程進(jìn)行深入分析，具體研究?jī)?nèi)容包括：1、通過(guò)物理力學(xué)特性試驗(yàn)得的厚層軟巖頂板條件下巷道圍巖的密度、單軸
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TD322

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2626481