综采工作面面间煤柱稳定性及工程应用研究

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现阶段我国煤炭地下长壁开采中,各综采工作面之间主要通过留设煤柱隔离采动影响,以达到保护采准巷道的目的。在采面面间煤柱设计中,如何设计出安全可靠、经济合理的煤柱显得尤为重要。为了研究采面面间煤柱稳定性,并给出合理煤柱留设宽度的设计方法,本文采用现场监测、理论推导、数值模拟的方法,对综采工作面面间煤柱所受荷载情况、煤柱支承压力与塑性破坏区分布情况进行研究,并将研究结果应用于玉华煤矿的采面面间煤柱设计中。研究主要包括以下4方面内容:(1)在煤柱所受荷载方面,考虑到当工作面倾向长度较大时,煤炭开采后,采空区内接顶的垮落煤岩体的承载能力不容忽视,因此依据实测采面面间煤柱所受荷载数据分析结果,建立采动影响下的传力拱模型,揭示“采空区-煤柱”荷载传递机理,确定采空区内垮落煤岩体承担荷载的大小,进一步给出了采面面间煤柱所受荷载的理论计算方法。研究表明,采空区覆岩荷载由采空区内垮落煤岩体与传力拱共同承担,采空区内垮落煤岩体承担的荷载可由垮落煤岩体的压缩模量与压缩变形的乘积表示,传力拱承担的荷载则经由拱脚传递至煤柱。(2)在煤柱稳定性方面,通过建立煤柱受力模型,结合岩土弹塑性理论对煤柱的采动影响范围、煤柱支承压力分布及塑性破坏区范围、采准巷道布置位置、合理煤柱留设宽度、煤柱加固方式进行了分析,并结合算例分析各参数对合理煤柱留设宽度、煤柱塑性破坏区宽度的影响。(3)在工程应用阶段,根据陕西铜川焦坪矿区玉华煤矿实际工况,结合室内煤岩体物理力学性能试验数据,对埋深为580m,工作面倾向长度为240m的采面面间煤柱进行详细设计,进一步给出了其他不同埋深及工作面倾向长度下的合理煤柱宽度与塑性区宽度值,为玉华煤矿下一阶段生产中的煤柱留设宽度选取提供了理论建议值。(4)通过数值模拟对本文煤柱设计方法的适用性与合理性进行研究,对比数值模拟与理论计算结果,发现在煤柱塑性破坏区计算方面,本文理论适用于中等采高(4~7m);在煤柱留设宽度方面,依据本文理论设计的煤柱弹性核区宽度可达到煤柱高度的2倍,所设计的煤柱留设宽度能达到设计要求。
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