跨煤柱开采覆岩载荷传递机制及岩层控制研究

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我国煤炭资源储量丰富,绝大多数煤田都赋存多个煤层。下层煤工作面跨上覆遗留煤柱开采(简称“跨煤柱开采”)过程中,上覆岩层载荷传递至遗留煤柱上形成高支承压力并向底板岩层传递,给下层煤工作面回采过程中的岩层控制带来诸多挑战,如冒顶、压架、巷道损坏以及冲击地压等灾害。论文采用理论分析、数值模拟、三维相似材料模型实验等手段,围绕工作面跨煤柱开采过程中的覆岩载荷传递机制、岩层失稳致灾机理以及岩层控制技术等内容展开研究。论文主要内容及成果如下:(1)基于弹性层状体系理论,建立了考虑上层煤采动影响的损伤—完整双层底板结构模型。上层煤开采形成的底板损伤层(软层)加剧了煤柱下方底板岩层的应力集中程度(应力集中效应),不利于煤柱下方回采巷道的稳定性控制;而底板岩层中的硬层能够将煤柱集中载荷在横向上扩散(应力扩散效应),从而减轻煤柱下方底板岩层的应力集中程度,有利于煤柱下方回采巷道的稳定性控制;损伤层和完整层的等效弹性模量相差越大,应力集中和扩散效应越明显。(2)揭示了底板岩层接触面在煤柱集中载荷作用下的滑移机制,并将底板岩层按照滑移可能性由高到低划分为三个滑移区:第一滑移区、第二滑移区和第三滑移区。随接触面数量的增加和强度的降低以及煤柱载荷的增大,煤柱下方底板岩层滑移程度加重,应力集中效应加剧,对煤柱下方回采巷道围岩稳定性控制不利。(3)揭示了跨煤柱开采时覆岩载荷在采空区和煤柱之间以及煤柱内部的动态传递机制。工作面出一侧采空和两侧采空煤柱开采时,受下层煤工作面顶板垮落影响,滞后于工作面一定距离的上覆煤柱发生卸压,一部分卸压载荷会传递至前方完整煤柱上,在出煤柱区域形成载荷积聚;而工作面进一侧采空煤柱开采时,覆岩载荷向前方完整煤体不断传递,不会在局部形成载荷积聚。在此基础上,推导了三种跨采模式下的覆岩载荷动态传递模型,可对跨煤柱开采时的覆岩载荷分布进行合理预测。(4)进行了跨两侧采空煤柱开采三维相似材料模型试验,验证了跨煤柱开采过程中的覆岩运动和载荷传递机制。上层煤开采后,主关键层断裂形成铰接结构,煤柱在底板岩层中的影响角约为39°;下层煤工作面推出煤柱时,受顶板垮落影响,部分煤柱发生屈服卸压,将覆岩载荷传递至出煤柱区域形成载荷积聚,叠加关键层结构失稳,下层煤工作面顶板发生大范围切落破坏,与现场出煤柱时的矿压显现规律一致。(5)基于弹性基础梁理论,建立了进煤柱阶段、出煤柱阶段以及考虑跨采角影响的顶板稳定性力学结构模型。煤柱峰值载荷越大、位置越靠近煤柱边界,下层煤采空区刚度越小,基本顶越厚(硬),对工作面出煤柱时顶板稳定性越不利。跨采角为0°时,顶板稳定性最差,随着跨采角的增大,尤其是0~15°范围内,顶板稳定性提高,当跨采角超过30°后,对顶板稳定性影响不明显。(6)采用数值模拟手段研究了三种跨采方式下的采动应力响应规律。工作面进一侧采空煤柱开采时,可将煤柱影响区域划分为应力叠加区和显著影响区;而工作面跨两侧采空煤柱开采和出一侧采空煤柱开采时,不仅存在应力叠加区和显著影响区,还在出煤柱区域存在灾害高发区,是跨煤柱开采时进行岩层控制的关键区域。(7)建立了影响跨煤柱开采岩层稳定性的评价指标体系(包扩地质因素和岩层控制技术),并基于岩层失稳概率和失稳后果,提出了跨煤柱开采岩层稳定性评价方法,将跨煤柱开采岩层稳定性状态分为极不稳定、不稳定、中等稳定和稳定四类。最后,将研究成果成功应用于木瓜煤矿10-103工作面跨煤柱开采实践,包括两侧采空煤柱作用下回采巷道围岩的稳定性控制和工作面出一侧采空煤柱开采时的岩层控制,取得了较好的经济和社会效益。
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