近距离煤层群采空区下底板破坏机理及巷道围岩控制技术

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为了达到有效控制近距离煤层群采空区下巷道围岩变形的目标,论文采用理论分析、数值模拟、实验室物理相似模拟、现场工程试验等方法,从研究近距离煤层群下行开采过程中,上部煤层采空区底板的破坏机理着手,得出了上部煤层底板破坏规律,然后对下部煤层巷道合理布置进行了研究,再针对巷道的围岩特性提出与之相适应的支护方案,最后将研究成果工程实践验证。具体如下:  建立了压力拱拱脚支承压力计算模型以及压力拱支承压力作用下底板塑性区计算模型。近距离煤层群下行开采过程中,压力拱将上覆岩层载荷传递到底板,由于上下煤层间距较近,压力拱对下部煤层及巷道造成一定程度的影响。压力拱拱脚的影响区域大小、压力拱的跨度、压力拱的拱高、煤层采深等是压力拱支承压力大小的主要影响因素,这些因素也进一步影响压力拱支承压力对底板的破坏作用。  提出了采空区下伏岩层“拱—梁”组合结构模型。当采空区下伏岩层中存在厚硬的关键层时,关键层表现为梁的特征,对拱的发展起着控制作用。若底板压力拱内存在关键层,则在关键层对其附近的煤层及巷道起到保护作用,若关键层破断后,其附近岩层、煤层及巷道会随关键层破段而遭受较大的破坏。  研究了下部煤层巷道布置方式,得出了布置下部煤层巷道的计算模型。当下部煤层位于上部煤层底板破坏带之内时,下部煤层巷道虽然无法避开上部煤层底板破坏带的影响,但可通过调整水平距离避开上部煤层煤柱高应力区的影响。  研究了下部煤层巷道支护方式。当下部煤层巷道离上部煤层煤柱距离较近时,下部煤层巷道受到非均匀载荷影响,这种情况下宜采用拱形支护。通过理论分析比较了矩形支护方式和拱形支护方式的受力特点,提出了宜采用拱形支护方式控制巷道围岩变形。拱形支护体系顶部的弯矩和剪力明显小于矩形支护体系,拱形支护可使最大主应力流线沿拱形支护体系形成了一个环状压力拱,形成拱效应,充分发挥围岩自我承载能力。  对采空区下巷道破坏情况进行了分区,并给出了不同区域的支护原则。根据上部煤层采空区下底板破坏带与下部煤层巷道松动圈的位置关系,将采空区下巷道的破坏情况分为未接触区、部分重叠区和完全重叠区三个区域,给出了判断巷道所处区域的判据公式。给出了不同区域的巷道支护原则,在未接触区内,既可采用矩形支护,也可采用拱形支护;在部分重叠区内宜采用拱形支护;在完全重叠区首先考虑拱形支护,当煤层间距极近时,可考虑采用可伸缩金属支架架棚支护,断面选用拱形。  将研究成果应用于陕西韩城矿业公司下峪口煤矿3号下煤层23305下工作面回风顺槽的巷道布置和支护方案设计。主要应用成果为:运用近距离煤层群下行开采下部煤层巷道位置计算公式得出该巷道与上部煤层煤柱边缘水平距离大于41.6m时,可避开上部煤层煤柱支承压力影响区。运用近距离煤层群采空区下巷道围岩破坏分区判据公式得出该巷道位于“完全重叠区”。运用非均匀载荷作用下巷道支护形式确定该巷道采用拱形支护,根据完全重叠区巷道支护原则采用组合拱设计了支护方案。压力观测和巷道变形量观测表明,该方案能有效地控制近距离煤层群采空区下巷道围岩变形,证明论文中的近距离煤层群上部煤层底板破坏、下部煤层巷道布置以及支护方式等研究成果具有一定的科学性、合理性。  论文研究得出的近距离煤层群下行开采下部煤层巷道位置计算模型、近距离煤层群采空区下巷道围岩破坏分区判据公式、非均匀载荷作用下巷道支护形式、采空区下不同破坏区域巷道支护原则等成果,对近距离煤层群下行开采下部煤层的巷道布置、巷道支护方案设计等提供了理论依据,具有一定的推广价值。
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