【摘 要】
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神东矿区是世界上开采技术先进的煤炭基地,但煤层赋存多样,软岩巷道所占比例较大。随着煤矿开采深度的增加、开采强度的加大,采动应力增强,软岩巷道在高应力作用下面临着较为严重的底臌问题。因此,研究高应力软岩巷道底臌机理及其控制技术,对于保障煤炭安全高效开采具有重要意义。本文以神东矿区高应力软岩巷道为工程背景,综合运用现场调研、实验室内试验、物理模拟、数值模拟、理论分析及现场应用等研究方法对底臌机理及其控
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神东矿区是世界上开采技术先进的煤炭基地,但煤层赋存多样,软岩巷道所占比例较大。随着煤矿开采深度的增加、开采强度的加大,采动应力增强,软岩巷道在高应力作用下面临着较为严重的底臌问题。因此,研究高应力软岩巷道底臌机理及其控制技术,对于保障煤炭安全高效开采具有重要意义。本文以神东矿区高应力软岩巷道为工程背景,综合运用现场调研、实验室内试验、物理模拟、数值模拟、理论分析及现场应用等研究方法对底臌机理及其控制技术进行了系统性的研究。主要取得以下研究成果:(1)获得了神东矿区典型软岩矿井底板物相特征,确定了底臌机理。采用现场勘察与监测、理论与试验综合分析等手段,对神东矿区红庆河煤矿、布尔台煤矿和保德煤矿典型矿井地质力学特性和高应力软岩巷道变形破坏特征进行了研究,获得了神东矿区典型软岩矿井的地应力分布特征、底板破断特征和岩石力学特性;将神东矿区巷道底臌类型分为应力型、巷帮收缩型和非对称型三类;指出了神东矿区高应力软岩巷道底臌变形的主要因素为釆动影响、巷道底板支护、地应力状态和底板岩性,并分析了多因素之间的叠加效应。(2)揭示了振动波作用下软岩巷道底板变形规律和破坏特征,建立了基于振动理论的底板失稳判据。研发了高应力软岩巷道底臌物理相似模拟试验系统和软岩巷道相似材料配比方案,模拟了软岩巷道变形特征,并采用声发射信号量化描述了巷道变形特征,揭示了巷道失稳“顶板下沉→帮部失稳→底板臌起”时空规律;获得了应力波扰动幅度、扰动时间、扰动频率对底板稳定性影响的规律,发现三者对底板影响程度依次是扰动幅度、扰动频率、扰动时间,同时指出对底板影响程度由大到小的扰动位置依次为底板扰动、顶板扰动、帮部扰动;基于振动理论,得到动力扰动下底板失稳判据;研究发现窄煤柱和适当加快工作面推进速度有利于抑制回采巷道底臌;回采巷道受采动超前支承压力影响大致划分为三个区域:底臌剧烈区,工作面前方0~30m底臌量急剧增加;底臌增加区,工作面前方30~70m底臌量缓慢增加;底臌稳定区,前方70m外受釆动影响较小,底臌量变化不大。(3)基于能量守恒理论、突变级数和层次分析法,提出了神东矿区高应力软岩巷道稳定性的评估方法及其控制技术,并进行了现场应用。基于正交试验,获得了底板稳定性对垂直应力、侧压系数、断面形状等九大因素的敏感度,发现各因素敏感度依次为直接底强度>垂直应力>侧压系数>巷道高度>巷道宽度>煤的强度>直接顶强度>直接底厚度>断面形状;建立了高应力软岩巷道稳定性评价指标体系,基于突变级数法对高应力软岩巷道支护难度进行分级(I容易支护型、II中等难度、III较难支护和IV极难支护四个等级),并给出了相应控制对策;基于多参量监测指标引入层次分析法,将巷道稳定性分为稳定、较稳定、不稳定和极不稳定四大类,并基于巷道稳定级别制定针对性措施。上述技术应用于布尔台和红庆河煤矿,验证了评价体系的科学性和可行性。
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