【摘要】：切頂卸壓無煤柱自成巷110工法是一種先進的無煤柱開采技術(shù),是保持我國煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,亦是解決瓦斯與動力災(zāi)害、提高煤炭回收率、降低巷道掘進率、實現(xiàn)科學(xué)采礦的重要保障。本文采取理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗等綜合研究手段,從圍巖結(jié)構(gòu)切頂優(yōu)化和穩(wěn)定控制兩大科學(xué)問題著手,系統(tǒng)研究了以預(yù)裂切頂為主導(dǎo)因素的無煤柱自成巷圍巖結(jié)構(gòu)運動規(guī)律,揭示了其運動穩(wěn)定機理,最終開發(fā)了一套適用于厚煤層條件下的110工法圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制技術(shù)。主要研究成果如下:(1)基于無煤柱自成巷力學(xué)機理,分析了沿空切頂巷道圍巖結(jié)構(gòu)演化過程和力學(xué)作用機制,建立了工作面超前區(qū)、成巷段動壓區(qū)和成巷段穩(wěn)壓區(qū)全過程頂板演化力學(xué)模型,得出不同成巷位置頂板應(yīng)力分布及撓度變形理論解。研究發(fā)現(xiàn),成巷段動壓區(qū)為留巷過程中最不穩(wěn)定區(qū)域,有效提高動壓區(qū)最低穩(wěn)態(tài)系數(shù)、減少動壓持續(xù)距離對留巷過程中的巷道穩(wěn)定性控制極為重要�；诶碚摲治鼋Y(jié)果,提出厚煤層無煤柱自成巷圍巖結(jié)構(gòu)切頂優(yōu)化和協(xié)同承載的整體控制思路。(2)對工作面超前區(qū)鉆孔圍巖應(yīng)力分布和聚能張拉爆破致裂機理展開研究。通過建立聚能爆破力學(xué)模型,分析了聚能爆破荷載作用下爆轟應(yīng)力場分布規(guī)律,得出了雙向聚能張拉成型爆破致裂機理。研究發(fā)現(xiàn),鉆孔頂板巖體受地應(yīng)力場和爆破應(yīng)力場共同影響,其一點的應(yīng)力狀態(tài)與爆轟荷載、埋深、切縫傾角、聚能方位等均有關(guān)系。聚能爆破作用下頂板巖體受到聚能流的侵徹、沖擊波和應(yīng)力波的沖壓和爆生氣體的準靜態(tài)壓力綜合作用,從而造成影響區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育狀態(tài)和擴展半徑發(fā)生不同程度的變化。聚能切頂模式下,裂紋起裂和擴展壓力均較自由爆破模式大,有效裂紋擴展半徑也相應(yīng)增加。(3)采用基于施載應(yīng)力波和ALE算法的數(shù)值模擬方法,分別探究了普通爆破模式和聚能張拉爆破模式下頂板裂紋擴展演化規(guī)律和損傷控制效果。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),自由爆破模式下裂紋向四周擴展,巷道頂板極易被裂縫切割成散狀塊體,影響巷道穩(wěn)定性。聚能張拉爆破模式下,聚能裝置有利于聚集爆炸能量,在頂板內(nèi)形成定向裂隙,損傷面積較自由爆破模式大幅度減小,有效應(yīng)力較自由方向增加了近一倍�，F(xiàn)場預(yù)裂爆破增量試驗表明,聚能裝置可起到良好的能量導(dǎo)向作用,隨著爆破能增加,聚能裂紋沿設(shè)定方向起裂、擴展,最終孔內(nèi)裂縫率近乎達到100%。數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗均驗證了聚能張拉爆破用于無煤柱自成巷頂板結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的有效性和可靠性。(4)構(gòu)建了工作面滯后區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)宏觀切頂效應(yīng)的礦壓參量表征體系,以采空區(qū)巖層垮落形態(tài)、留巷圍巖應(yīng)力分布、基本頂結(jié)構(gòu)斷裂步距、頂板巖層垮落滯后性、采空區(qū)矸體尺寸、碎石幫充填率及矸體碎脹穩(wěn)定性等為表征因素,系統(tǒng)性地探究了切頂參數(shù)變化對工作面滯后區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)垮落、壓實、穩(wěn)定等的影響規(guī)律。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),預(yù)裂切縫有效地切斷了巷道及采空區(qū)頂板之間的結(jié)構(gòu)傳遞,頂板在切縫頂端位置發(fā)生垮落和折斷,使得沿空巷道得以維護。但是,不同切頂條件下,垮落圍巖的結(jié)構(gòu)形態(tài)及對切頂短臂結(jié)構(gòu)的承載作用不同,從而造成巷道頂板變形有一定差別。切頂高度變化影響的是空區(qū)矸體的碎脹情況及充填程度,合理的切頂高度應(yīng)保證巷旁充滿,并起到有效的支撐作用。切頂強度影響的是采空區(qū)頂板與巷道頂板間的接觸限制程度,預(yù)裂爆破效果好,采空區(qū)頂板巖層在破斷、垮落過程中對巷道頂板的影響擾動小,則留巷更穩(wěn)定。切頂角度主要影響巷旁矸體對切頂短臂結(jié)構(gòu)的承載能力,垂直切縫巷道頂板變形最大,但切縫角度過大時,切頂短臂結(jié)構(gòu)的長度和重量增加,反而不利于留巷穩(wěn)定�，F(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),提高切頂強度有利于促進頂板垮落和矸體碎脹,導(dǎo)致作用在來壓控制關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上的有效應(yīng)力減小,從而增大來壓步距、提高碎石幫充填率及減小矸體穩(wěn)定距離。增強切頂效果可減小采空區(qū)頂板與巷道頂板間的層內(nèi)粘聚力,從而加快頂板垮落速度,減小矸塊尺寸。增加切頂高度可增大來壓步距、提高碎石幫充填率、減小垮落滯后空間和穩(wěn)定距離,切頂角度對各礦壓參量影響較小。(5)分析了沿空切頂巷道頂板結(jié)構(gòu)演化過程,得出厚煤層快速回采切頂成巷圍巖應(yīng)力、位移傳遞機制,提出進行空間補償,人為主動構(gòu)建“基本頂上位巖層-采空區(qū)碎脹矸石-巷道切頂短臂梁”圍巖穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的巷道控制思路。頂板控制方面,提出以空區(qū)碎脹矸石為穩(wěn)態(tài)承載體,恒阻變形主動支護結(jié)構(gòu)、恒壓可縮臨時支護設(shè)備為巷內(nèi)讓壓支護體,實現(xiàn)讓壓過程中可控讓位。碎石幫控制方面,提出動壓防沖、緩壓讓位和恒壓穩(wěn)控的多層次控制措施。其中,工作面架后6 m范圍內(nèi)為主要沖擊區(qū),架設(shè)自移式動壓防沖結(jié)構(gòu)可將擋矸結(jié)構(gòu)的個體受沖轉(zhuǎn)換為集體承壓,有助于耗散沖擊能。矸體壓實階段為緩壓過程,提出采用抗彎性更強的滑移式讓位護幫結(jié)構(gòu)。室內(nèi)承載試驗表明,該結(jié)構(gòu)可保持恒載力實現(xiàn)與圍巖協(xié)同變形,有效降低損壞率。同時,設(shè)計制造了波式多阻護幫結(jié)構(gòu),進一步提高了碎石幫整體穩(wěn)定性。以上分區(qū)控制結(jié)構(gòu)形成了應(yīng)對頂板結(jié)構(gòu)位態(tài)、碎石運動狀態(tài)變化的無煤柱自成巷控頂和控幫技術(shù)。研究成果在陜煤集團檸條塔煤礦厚煤層工作面成功應(yīng)用,取得了良好的效果。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD823.253
【圖文】：

圖 1.3 沿空留巷圍巖復(fù)合承載結(jié)構(gòu)(張農(nóng)，2014)ompound bearing structure of backfill beside entry (Han Changli[81]根據(jù)沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境特點將頂板上和實體煤共同承擔(dān)。由于兩者剛性不同，從而形成沿，如圖 1.4 所示。根據(jù)圍巖不均衡承載規(guī)律，以實體

體和實體煤共同承擔(dān)。由于兩者剛性不同，從而形成沿空構(gòu)，如圖 1.4 所示。根據(jù)圍巖不均衡承載規(guī)律，以實體煤載比值定義為不均衡承載系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著實煤體彈量增加，不均衡承載系數(shù)亦增加，但支護體彈性模量、巷強度等與不均衡承載系數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，柳家莊煤礦 421以上圍巖承載規(guī)律。

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本文編號：2727891