厚煤层综采工作面切顶卸压沿空留巷技术研究

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煤柱留设作为一种传统煤矿护巷手段,存在资源浪费严重、巷道维护成本高等缺陷。沿空留巷技术虽然在一定程度上提高了资源利用率,但对于埋深较大的厚煤层,易出现帮鼓严重、底鼓较高、充填支护体变形严重甚至失效及巷道维护困难等问题。基于此,本文采用理论计算、数值模拟和现场试验结合的方法,研究了切顶卸压机理,提出了切顶卸压沿空留巷方案。现场应用结果表明,切顶卸压沿空留巷方案可显著减小巷道围岩变形,降低围岩小结构范围内来压应力。本文主要研究内容及成果如下:(1)分别对留巷不切顶和切顶两种情况进行顶板运移情况分析,发现留巷上覆岩层随工作面回采后形成内外应力场,切顶后相比不切顶时煤壁内弹塑性交界线内移,内应力场范围增大,砌体梁结构呈上移趋势。切顶高度越高,煤壁内支承应力峰值越低,内应力场范围越大。当切顶高度到达一定位置时,峰值趋于稳定。通过理论分析,得出沿空留巷切顶后相比不切顶时巷旁充填体支护阻力降低,留巷较为稳定。(2)应用数值模拟对切顶留巷现场工况进行研究,设置不同切顶高度、不同切顶角度以及不同充填体宽度的留巷模型,分别监测巷道围岩变形量和充填体支护阻力变化,监测发现:围岩变形量和支护阻力随切顶高度增加先减小后稳定、随切顶角度增加不断增大、随充填体宽度增加不断减小。并得出:切顶高度需要满足切断区域的顶板能够通过岩石的碎胀性充填留巷侧采空区,而留巷侧采空区碎胀性大于采空区中部,对此工程计算采用切顶高度20.5m较好;切顶角度需满足利于顶板的快速垮落和对巷道扰动最小等因素,采用切顶角度5°较好;充填体宽度需考虑受压后变形稳定、材料成本和风量要求,采用宽度1.5m较好。(3)将理论计算和数值模拟结果进行现场应用后发现,切顶后留巷围岩变形量与数值模拟基本吻合。切顶后巷道的顶底板移近量维持在634.5mm左右,两帮移近量维持在326.5mm左右,相比不切顶时顶底板移近量减少约56%,两帮移近量减少约72%。现场监测数据变化趋势得出,沿空留巷切顶后能减小顶板来压对巷道围岩的挤压变形,降低对围岩小结构内的挤压应力。切顶留巷后对松动圈进行监测,发现松动圈范围增大约0.234m,增大幅度小,说明切顶卸压后围岩内部破坏小。工业性试验证明,切顶后巷道围岩变形小,取得预期研究效果,对今后厚煤层切顶卸压沿空留巷技术的完善和优化具有一定的指导意义。
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