窄煤柱沿空掘巷覆岩破断特征及巷道围岩稳定性研究

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强烈的采动对巷道围岩的稳定性具有明显的不利影响,其不同煤柱宽度与采场上覆岩层的垮落协同关系、应力传递规律是强动压、窄煤柱条件下巷道围岩控制的根本依据。本课题基于窄煤柱沿空掘巷覆岩垮落和采动影响下应力传递的耦合作用这一思路,紧密围绕区段煤柱尺寸留设、偏压条件下巷道围岩支护这两个关键科学问题,通过矿山压力理论、有限差分数值模拟、相似模拟试验等研究方法进行宏观和细观层面相结合的综合研究,确定区段煤柱尺寸变化在掘巷期间巷道围岩的上覆岩层破断和应力分布的影响规律,建立窄煤柱宽度变化与采场应力环境的关系,揭示动压影响条件下巷道稳定性质,进一步实现了非均匀的巷道围岩支护方法,为未来回采工作面布置以及巷道围岩支护设计提供理论基础。主要研究结论如下:(1)通过关键层理论和UDEC数值模拟,研究了基本顶破断过程中巷道围岩的失稳原因,揭示了沿空煤巷覆岩结构运动与巷道围岩稳定性之间的相互作用机制,探讨了窄煤柱不同宽度、巷道不同断面形状等对巷道围岩破裂的影响规律。由覆岩破断特征模拟分析得出,基本顶的断裂形式对窄煤柱及巷道围岩稳定性有明显的影响,其断裂位置距离巷道越远,对巷道围岩稳定性的影响就越小,且基本顶在形成断裂结构之后随着煤柱宽度的增加对巷道围岩的影响也越来越小。(2)通过相似模拟试验台和FLAC3D数值模拟软件,分别构建了窄煤柱护巷的物理模型和数值模型,模拟了窄煤柱尺寸在动态和静态变化下对巷道围岩应力的影响规律,揭示了窄煤柱与巷道实体煤帮之间的应力转移机制。相似模拟试验表明,6m煤柱在掘巷过程中承载良好,在煤柱从30m到3m逐渐缩小的过程中,窄煤柱内垂直应力增长幅度比实体煤帮偏大,证明煤柱在开挖过程中是主要承载结构。数值模拟试验表明,随着煤柱尺寸的增加,采空区应力转移在煤柱内形成的应力集中越来越大,且应力集中从靠近采空区的一侧逐渐向煤柱中心靠近,而实体煤帮的应力峰值呈现出减小趋势,减小速率表现为先增大后减小。(3)通过分析切顶不同高度条件下与未切顶时的巷道围岩应力分布特征,得到了切顶后巷道围岩应力分布及位移的变化趋势,揭示了窄煤柱内应力在切顶后与巷道实体煤侧之间的转移规律。通过对比切顶与未切顶条件下应力峰值的变化,发现切顶条件下与未切顶条件下,其应力分布及位移表现出相反的变化趋势,切顶不仅降低了应力峰值同时避免了因向采空区漏风可能引起的自然灾害的发生。(4)针对窄煤柱护巷时巷道围岩破坏非对称性问题,在原均匀强度支护方案的基础上,采用非对称的支护方式,根据支护的侧重点进行巷道围岩的补强支护。当窄煤柱侧在原有支护方案基础上增加一根锚索时,增大了压应力带整体压应力数值,有效弥补了锚杆长度有限的缺陷,增加了主动支护应力场的范围。改善的非对称支护方案可以有效实现对煤柱和巷道顶板的非对称控制,保障了巷道使用的整体稳定性。
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