工作面端头外侧正断层煤柱稳定性分析

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我国地质条件复杂,在煤矿开采过程中,断层是经常遇到的地质构造。特别是工作面沿断层布置时,在工作面端头与断层之间会形成断层煤柱。受开采扰动影响,断层煤柱易破坏失稳,保证断层煤柱稳定性,对工作面安全回采意义重大。基于此,本文以梁宝寺煤矿3103上工作面为研究背景,通过理论分析、数值模拟、灰色关联分析等方法,研究工作面沿断层开采条件下,断层煤柱稳定性与煤柱宽度、开采高度、断层倾角、开采深度等影响因素的关系,揭示断层煤柱失稳规律。研究结果表明:1)断层煤柱宽度较大时,断层应力阻隔效应不明显,随着断层煤柱宽度的减小,断层应力阻隔效应越来越显著,煤柱应力集中程度越来越高。当断层煤柱宽度大于30m时,煤柱较为稳定,当煤柱宽度小于30m时,煤柱在高集中应力下失稳释放弹性能。上下盘工作面开采煤柱应力演化特征表现出一致性,但上盘工作面断层煤柱应力集中程度大于下盘。2)工作面沿断层上盘开采时,断层煤柱应力集中程度与开采高度呈正相关,采高为2m、4m、6m条件下,煤柱极限承载宽度为30m;采高为8m时,煤柱极限承载宽度为40m。工作面沿断层下盘开采时,采高为2m时,煤柱极限承载宽度为20m;采高为4m、6m、8m时煤柱极限承载宽度为30m。在实际的开采过程中,上、下盘工作面开采顺序不同,应设计不同的断层煤柱宽度。3)相同开采条件下,工作面沿断层上盘开采时,随着断层倾角的增大,煤柱支承压力峰值逐渐增大。不同倾角条件下,煤柱稳定性规律呈一致性,断层煤柱极限承载宽度都是30m,当煤柱宽度小于30m时,煤柱在高支承压力下破坏失稳并释放弹性能。断层倾角越大,能量释放越大,煤柱稳定性越弱。工作面沿断层下盘开采时,断层倾角为45°、55°时,失稳规律基本一致,煤柱极限承载宽度为40m,断层倾角为65°、75°时,煤柱极限承载宽度为30m。当断层煤柱小于极限承载宽度时,煤柱失稳同时释放弹性能,断层倾角越大,释放能量越小,煤柱稳定性越高。4)相同开采条件下,工作面沿断层开采时,随着开采深度的增加,应力集中程度增加明显。工作面沿断层上盘开采,采深为400m时,煤柱稳定性最强,煤柱极限承载宽度为20m,采深为500m、600m时,煤柱极限承载宽度为30m,采深为700m时煤柱极限承载宽度为40m。工作面沿断层下盘开采时,煤柱失稳规律基本与上盘一致,但整体上应力集中程度小于上盘,断层煤柱塑性破坏区也小于上盘。5)梁宝寺3103上工作面沿断层F32-1回采时,在开采初期煤柱稳定性最弱。相同煤柱宽度下,影响断层煤柱稳定性主要影响因素是采高,其次为断层倾角,最后为开采深度和煤柱宽度。
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