【摘 要】
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倾斜厚及特厚煤层错层位综放工作面下端存在弧形底板,其应力分布规律及变形破坏特征受采空区矸石非对称滑移堆积形态影响亦呈现出非对称特征,进而影响其下内错沿空巷围岩稳定性。此类巷道受传统错层位“三段式”工艺思想束缚,长期惯用棚式被动支护,严重影响巷道掘进速度,制约矿井高产高效开采。本文针对上述研究背景,综合采用实验室岩石力学实验、FLAC-PFC耦合数值模拟技术、力学理论分析以及现场调研与实测等研究手段
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(No.51804209); 第五届中国科协“青年人才托举工程”资助项目,老空区地下空间动态演化与地表残余沉陷关系研究(YESS20200211); 国家杰出青年科学基金项目(No.51925402);
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倾斜厚及特厚煤层错层位综放工作面下端存在弧形底板,其应力分布规律及变形破坏特征受采空区矸石非对称滑移堆积形态影响亦呈现出非对称特征,进而影响其下内错沿空巷围岩稳定性。此类巷道受传统错层位“三段式”工艺思想束缚,长期惯用棚式被动支护,严重影响巷道掘进速度,制约矿井高产高效开采。本文针对上述研究背景,综合采用实验室岩石力学实验、FLAC-PFC耦合数值模拟技术、力学理论分析以及现场调研与实测等研究手段,运用弹性力学、岩石力学、矿山压力与岩层控制等交叉学科理论,对倾斜煤层错层位工作面弧形底板应力分布时空演化规律及变形破坏特征进行了研究。分析了采空区矸石非对称滑移堆积对弧形底板受力破坏的影响作用,揭示了二者之间的协同演化机制及采空区自稳定负反馈调节机制。分析了弧形底板应力非对称分布对内错沿空巷围岩稳定性的影响作用,确定了合理布巷位置,并应用自稳隐形拱理论针对性地提出了内错沿空巷锚网索非对称支护方案,通过现场试验验证了内错沿空巷应用锚网索支护的可行性和支护效果。论文主要研究内容及取得的创新成果如下:(1)研究了错层位综放开采矿压显现规律,揭示了采空区矸石非对称堆积形态是影响错层位工作面矿压显现的主要因素。通过对错层位工作面支架受力情况、来压强度、来压持续时间进行现场实测,并对错层位工作面支架后方矸石堆积形态进行现场调研,分析得出错层位工作面矿压显现呈现出“中部最大,上部次之,下部最小”倾向分区特征,认为造成这种倾向分区特征的主要原因是由于采空区矸石自然安息角小于煤层倾角,形成“下部充实、中部充满、上部悬空”的非对称堆积形态,对覆岩形成非对称承载作用。(2)通过建立倾斜错层位工作面弧形底板受力FLAC-PFC耦合数值模型,研究了错层位工作面弧形底板应力分布时空演化规律及变形破坏特征,揭示了采空区矸石堆积形态与弧形底板受力破坏之间的协同演化机制与采空区自稳定负反馈机制。分析得出弧形底板受采空区矸石非对称堆积影响,应力分布呈现出“下大上小”的勺形分布特征。归纳出采空区矸石非对称堆积与弧形底板受力破坏的协同演化机制与采空区自稳定机制体现在采空区上部矸石量较少对顶板的承载作用和对底板的约束作用均较小,顶板覆岩关键块回转下沉与底板底鼓共同作用形成“颈缩”结构,阻碍矸石向下滑移,采空区上部自由空间逐渐闭合,采空区逐渐稳定。(3)弧形底板下内错沿空巷布巷位置优化及支护对策。选取三个典型布巷位置进行数值模拟分析,确定了内错沿空巷合理布巷位置位于底板弧形段正下方。根据弧形底板应力分布规律,运用自稳隐形拱理论分析了内错沿空巷围岩非对称变形机理,分析认为随采空区矸石逐渐压实,内错沿空巷围岩非对称变形将更加明显,需在掘进初期进行支护,并据此提出锚网索非对称支护方案,经现场试验验证了内错沿空巷进行锚网索支护的可行性和支护效果。
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