發(fā)布時(shí)間：2020-06-23 10:02

【摘要】：本研究主要針對(duì)開(kāi)灤集團(tuán)普遍存在的大巷上方孤島煤柱的回采與支護(hù)技術(shù)展開(kāi),研究中采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬等多種方法與手段,對(duì)開(kāi)灤集團(tuán)東歡坨8#煤層孤島煤柱回采技術(shù)方案與下伏大巷應(yīng)力分布、圍巖塑性破壞范圍及巷道支護(hù)技術(shù)展開(kāi)綜合研究,通過(guò)分析比較各個(gè)研究方法所得結(jié)果,具體研究結(jié)論包括:(1)實(shí)現(xiàn)了孤島煤柱采動(dòng)影響與下伏大巷圍巖穩(wěn)定性二者之間的耦合。(2)對(duì)雙向不等壓巷道圍巖塑性區(qū)邊界方程進(jìn)行推導(dǎo),得到相應(yīng)的表達(dá)公式,發(fā)現(xiàn),東歡坨礦孤島煤柱下方大巷穩(wěn)定性的影響因素包括:(1)與孤島工作面之間的距離D;(2)支護(hù)阻力P;(3)應(yīng)力集中系數(shù)K;(4)側(cè)壓系數(shù)λ;(5)巷道半徑R;(6)巷道圍巖性質(zhì)(圍巖內(nèi)聚力C、圍巖內(nèi)摩擦角Φ)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步得到各因素對(duì)大巷圍巖穩(wěn)定性的影響特征:(1)巷道支護(hù)阻力P增加對(duì)圍巖塑性區(qū)分布范圍有限,當(dāng)支護(hù)阻力從零開(kāi)始增加過(guò)程,塑性區(qū)減小較為明顯,但阻力增加對(duì)圍巖塑性區(qū)破壞范圍的影響整體有限,也即單純依靠增加支護(hù)密度從而提高支護(hù)阻力,對(duì)圍巖塑性區(qū)的控制效果有限。(2)對(duì)大巷與孤島煤柱之間距離D的研究中發(fā)現(xiàn),巷道圍巖塑性破壞范圍與大巷之間距離小于25m時(shí)呈線性增長(zhǎng),距離75m以后,巷道圍巖塑性破壞范圍基本保持在1m左右,也即認(rèn)為8#殘留孤島煤柱對(duì)底板采動(dòng)的影響范圍約75m。(3)對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)K對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)分布范圍的研究發(fā)現(xiàn),應(yīng)力集中系數(shù)與圍巖塑性區(qū)成線性關(guān)系,也即隨著孤島工作面應(yīng)力集中系數(shù)的增加,圍巖塑形區(qū)也相應(yīng)擴(kuò)大。因此,在孤島工作面回采過(guò)程中,通過(guò)調(diào)整回采技術(shù)參數(shù)來(lái)控制應(yīng)力集中系數(shù),找到對(duì)下伏大巷的圍巖穩(wěn)定最有利的參數(shù)。(4)在對(duì)側(cè)壓系數(shù)λ逐漸增加對(duì)巷道兩幫塑性區(qū)的影響的研究中,發(fā)現(xiàn)側(cè)壓系數(shù)增加對(duì)兩幫的影響以1為分界線,當(dāng)側(cè)壓系數(shù)小于1時(shí),隨著側(cè)壓系數(shù)增加,巷道圍巖塑性區(qū)逐漸減小;當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1時(shí),隨著側(cè)壓系數(shù)增大,巷道圍巖塑性區(qū)范圍逐漸增大。(5)在對(duì)巷道半徑R與圍巖塑性區(qū)關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn),二者呈線性關(guān)系,也即巷道半徑增加,圍巖塑性區(qū)也相應(yīng)擴(kuò)大,因此在滿足通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)纫蟮那疤嵯?控制巷道半徑對(duì)于圍巖穩(wěn)定性有利。(6)在對(duì)圍巖內(nèi)摩擦角Φ對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的影響研究中發(fā)現(xiàn),增加圍巖內(nèi)摩擦角到32°情況下,巷道圍巖塑性區(qū)半徑呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì),但是,當(dāng)圍巖內(nèi)摩擦角增加超過(guò)32°,圍巖塑性破壞區(qū)域反而呈現(xiàn)增加趨勢(shì),這一結(jié)果為后續(xù)制定支護(hù)參數(shù)提供重要依據(jù),也即單純依靠增加支護(hù)密度實(shí)現(xiàn)殘余內(nèi)摩擦角的增加對(duì)于巷道圍巖破壞區(qū)的控制有一定的限制。(7)在對(duì)圍巖內(nèi)聚力C對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)分布的影響研究中,當(dāng)逐漸增加圍巖內(nèi)聚力C時(shí),C值在3MPa以下對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)的分布范圍有效減小,繼續(xù)增加C值,對(duì)圍巖塑性破壞區(qū)的影響范圍有限,與圍巖內(nèi)摩擦角相同,在采動(dòng)影響下,對(duì)大巷的維護(hù)單純依靠增加支護(hù)體密度的效果有限。在上述研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合東歡坨礦一般性參數(shù),得到孤島殘留煤體回采造成底板雙向不等壓條件下的巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)特征,也即巷道圍巖出現(xiàn)“X”型破壞。(3)結(jié)合大巷圍巖穩(wěn)定性影響因素K的特征,得到孤島煤柱開(kāi)采的最優(yōu)回采技術(shù)參數(shù),也即工作面一次全高開(kāi)采、留3m小煤柱、日進(jìn)尺為3m。(4)在確定最優(yōu)回采技術(shù)參數(shù)與支護(hù)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的基礎(chǔ)上,對(duì)下伏大巷圍巖塑性區(qū)破壞特征展開(kāi)進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn),大巷“X”型破壞特征消失,圍巖呈現(xiàn)均勻破壞,且范圍降低,為進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方案與參數(shù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。(5)為了保證大巷圍巖穩(wěn)定性,在上述研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)大巷支護(hù)方案與參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究,確定在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上,向大巷四角增打四根錨索,以控制X型四角的破壞特征;同時(shí),將原錨桿支護(hù)參數(shù)800mm×800mm優(yōu)化為900mm×900mm。另外,論文研究中,先后對(duì)底板應(yīng)力分布、下伏大巷塑性區(qū)破壞及影響因素、回采技術(shù)參數(shù)對(duì)下伏大巷的影響展開(kāi)研究,以及針對(duì)底板大巷特點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)方案的優(yōu)化,具體創(chuàng)新點(diǎn)包括:(1)理論上推導(dǎo)了孤島工作面回采過(guò)程對(duì)底板支承應(yīng)力分布的計(jì)算公式,得到底板任一點(diǎn)的應(yīng)力分布表達(dá)式,在確定了底板大巷圍巖穩(wěn)定性的影響因素基礎(chǔ)上,結(jié)合孤島煤柱開(kāi)采與底板大巷圍巖穩(wěn)定性之間的耦合關(guān)系,確定孤島煤柱最優(yōu)回采技術(shù)方案。(2)結(jié)合雙向不等壓巷道圍巖塑性區(qū)分布進(jìn)行計(jì)算分析,同時(shí)得到影響大巷圍巖塑性區(qū)分布范圍的因素,在此基礎(chǔ)上,得到受孤島煤柱采動(dòng)影響,底板大巷圍巖塑性區(qū)破壞呈“X”型,并最終確定了針對(duì)大巷圍巖塑性破壞形式的支護(hù)優(yōu)化方案與參數(shù)。(3)從工作面回采技術(shù)參數(shù)與下伏大巷穩(wěn)定性兩個(gè)方面著手,應(yīng)用理論分析與數(shù)值模擬兩種方法,確定了孤島煤柱最優(yōu)回采技術(shù)參數(shù)。本論文的研究針對(duì)開(kāi)灤礦區(qū)大巷上覆殘留孤島煤柱的回采與大巷支護(hù)技術(shù)展開(kāi),通過(guò)對(duì)以東歡坨礦為代表性的-480水平南翼運(yùn)輸大巷上覆殘留孤島煤柱的回收與大巷的支護(hù)進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)8#孤島煤柱回采可直接增加回采經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)7390萬(wàn)元;此外,通過(guò)采用優(yōu)化支護(hù)方案,可以明顯降低下伏大巷支護(hù)成本92.6萬(wàn)元。本論文的研究中針對(duì)的是開(kāi)灤集團(tuán)回采中存在的共性問(wèn)題,沒(méi)有針對(duì)具體礦井,以理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)為主要方法,需要進(jìn)一步結(jié)合得出的下伏大巷“X”型破壞形式與優(yōu)化后的孤島煤柱回采技術(shù)方案以及支護(hù)技術(shù)展開(kāi)工業(yè)性試驗(yàn),驗(yàn)證其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD353
【圖文】：

（a）大巷圍巖破裂狀況 （b）巷道臥底量大圖 1.1 -480 水平軌道大巷圍巖變形破壞狀況Fig.1.1 The deformation failure status in -480 horizontal track roadway surrounding rock mass1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 孤島殘留煤體回采技術(shù)研究目前，對(duì)孤島煤柱的研究主要集中在覆巖運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)及防治上[2-8]。張恒[9]對(duì)在采動(dòng)影響前后，孤島工作面上覆巖層的斷裂破壞特征及工作面煤體內(nèi)的支撐壓力分布的規(guī)律進(jìn)行研究，利用組合梁理論，得出在充分采動(dòng)和非充分條件下孤島煤體上覆巖層的斷裂高度，及“凹，凸”兩種不同的破壞狀態(tài)，認(rèn)為兩側(cè)采空范圍是影響覆巖斷裂高度和煤體支撐壓力分布狀態(tài)的主要因素。姜福興等[10]采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)孤島工作面煤體在兩側(cè)采空區(qū)不規(guī)則條件下的沖擊失穩(wěn)性做了研究，提出了失穩(wěn)分析方法及工作面前方煤體內(nèi)支承壓力的

1 引言緩慢增加且增加的速率越來(lái)越小，而底板兩布。斷層構(gòu)造下的采場(chǎng)應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，累了大量變形能，工作面在碰到斷層時(shí)，上導(dǎo)致斷層附近應(yīng)力激增，發(fā)生大滑移。于豐富的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了深部條件下應(yīng)力分布，認(rèn)為深部的煤礦，開(kāi)采引起的采將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)，改善巷道受力狀態(tài)生時(shí)，底板發(fā)生應(yīng)力傳播現(xiàn)象，基于土力學(xué)進(jìn)行傳播，影響范圍到達(dá) M 點(diǎn)，具體如圖 1得水平應(yīng)力z的表達(dá)式，具體如式（1.1）所示

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