沿空掘巷卸压消突合理窄煤柱宽度研究

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沿空掘巷预留窄煤柱护巷是一种改善回采巷道受力环境,降低巷道维护成本,提高煤炭资源回采效率的有效方法。沿空掘巷预留窄煤柱护巷时合理判断“卸压区”的范围是保证煤矿安全生产、提高煤巷支护效果的重要一环,然而在以往的测定装置、封孔方式以及现场地质条件等因素限制下,现存的典型的“卸压区”测定方法往往为点方法,由于点方法测定“卸压区”宽度时的不连续性导致测得的“卸压区”宽度与实际值有一定差距,进而导致在沿空掘巷预留窄煤柱合理宽度时容易形成误判。为此,本文以煤层瓦斯压力梯度与钻孔初始瓦斯涌出规律为切入点,以河南薛湖煤矿为研究对象,采用理论分析、数值模拟及试验研究等方法对运用钻孔连续流量法测定煤巷侧帮“卸压区”范围的可行性,进而判断沿空掘巷合理预留窄煤柱宽度进行研究。本文的主要内容如下:(1)考虑采动影响前提下,对煤巷侧帮应力运移情况进行分析,确定了煤巷侧帮“三区”分布规律。结合前人研究,探讨了应力作用下“三区”瓦斯压力梯度及瓦斯压力梯度分布情况。(2)对钻孔内瓦斯涌出来源进行分析,构建了钻头附近、钻孔孔壁和孔内煤屑瓦斯的渗流微分方程。基于钻孔瓦斯涌出微分方程,利用COMSOL数值模拟软件研究表明钻孔初始瓦斯涌出规律与“三区”瓦斯压力梯度之间呈线性关系,为运用钻孔瓦斯连续流量法测定“卸压区”范围可行性奠定基础。(3)通过现场试验对钻孔初始瓦斯连续流量法测定煤巷侧帮“卸压区”宽度准确性进行判断。结果表明钻孔连续流量法测定的“卸压区”宽度与钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标所测定的“卸压区”宽度相吻合,根据连续流量法测定的“卸压区宽度”当封孔深度为10 m时可以实现顺层钻孔瓦斯的连续性抽采。(4)结合所判定的卸压区宽度与合理窄煤柱宽度理论计算,后续运用FLAC3D数值模拟软件分别设计了煤柱宽度分别为3、5、7、9 m的四个方案进行模拟研究不同煤柱宽度与应力场、位移场的关系,进一步确定沿空掘巷合理窄煤柱宽度。分析结果得出,煤柱宽度为3-5 m时煤柱被塑性区贯通承压能力差,煤柱宽度为5-7 m时煤柱内部出现“弹性核”煤柱具有一定强度承载上覆岩层载荷,煤柱宽度为7-9 m时煤柱内部“弹性核”开始向采空区侧转移。随着煤柱宽度增加煤柱向两侧的水平位移也逐渐增加,且对采空区的影响小于对煤巷侧的影响,宽度为5-7 m时煤柱位移增幅最小。(5)研究结果表明钻孔初始瓦斯流量法可以作为有效判定煤巷侧帮“卸压区”范围重要方法之一;最终从卸压区范围,理论计算,煤柱宽度与应力场、位移场以及巷道围岩变形量之间的关系等5个方面确定薛湖煤矿2306运输巷侧帮合理窄煤柱宽度为5 m。论文共有图28幅,表2个,参考文献97篇。
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