浅埋薄基岩窄煤柱巷道上覆岩层破断规律与稳定控制研究

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我国西部地区回采巷道主要采用宽煤柱护巷、双巷掘进的方式,该地区煤层赋存特点是埋藏浅、基岩薄,上覆岩层多为较厚的松散层,浅埋薄基岩煤层工作面来压强烈,甚至造成支架压死,但保护煤柱压力较小,工作面侧向压力显现并不剧烈,但随着矿井开采深度的加大,双巷掘进所需留设煤柱宽度也逐渐增大,巷道维护日益困难,因此,为改善巷道维护状况并实现巷道有效控制并提高煤炭采出率,达到安全高效生产的目的,本文综合运用理论分析、数值计算、现场试验等方法,对浅埋薄基岩窄煤柱巷道上覆岩层破断规律与稳定控制技术进行了系统研究,确定了合理的窄煤柱宽度,主要研究成果为:(1)基于弹性地基上的半无限Winkler悬臂梁理论,给出浅埋薄基岩在侧向煤柱内破断位置的计算式及其与基岩悬伸长度l与周期来压步距0l三者间的关系式:(?)并讨论了基岩周期来压步距、基岩厚度及液压支架支撑对基岩侧向破断位置的影响规律:浅埋薄基岩煤层基岩厚度大,周期来压步距大、基本顶侧向破断位置更深入煤柱,在煤柱内形成较大范围的应力降低区,为窄煤柱护巷提供有利的位置。(2)建立多矩形孔围岩分析力学模型,给出矩形巷道围岩应力计算式及煤柱内垂直应力叠加计算式,并分析上覆岩层压力、断面尺寸、侧压系数对其的影响规律,揭示浅埋薄基岩窄煤柱巷道失稳机理:窄煤柱护巷时,受应力叠加影响,巷道肩角处应力集中系数大于6.0,肩角处围岩承受高支承压力的作用,容易剪切失稳,窄煤柱留设宽度较小时,窄煤柱应力集中系数高,容易受压失稳。(3)基于弹性地基理论,给出基岩侧向破断煤柱塑性区宽度计算式:当基岩(基本顶)厚度较大且为唯一主关键层时,基岩的破断不受上覆岩层压力及采掘空间的影响,确定双巷掘进窄煤柱护巷时,合理的煤柱宽度范围为B≤11.6m。采用数值模拟的方法,研究不同煤柱宽度巷道围岩应力分布、变形及破坏规律,进一步确定合理的窄煤柱宽度为10m,煤柱存在正在剪切破坏的稳定承载区域,两帮承载均匀,且实体煤帮承载能力相对较大,应力集中系数相对较高,为较好的应力分配状态,仅在煤帮中部出现拉破坏,控制难度相对小。(4)提出浅埋薄基岩窄煤柱巷道的“两区”(窄煤柱大变形区、实体煤帮高集中应力区)为围岩控制的薄弱区域,开发了两帮“两区”关键部位高预应力、高阻让压,高强度围岩控制技术。依据浅埋薄基岩窄煤柱巷道围岩控制技术,在凉水井煤矿42113工作辅助运输巷进行了工业性试验,现场应用表明,煤帮“两区”关键部位小间距高预应力锚杆支护、高预应力让压锚杆支护、二次支护的围岩控制技术有效控制了围岩变形,实现了围岩及支护结构稳定。
致谢第3-4页
摘要第4-6页
abstract第6-7页
变量注释表第17-19页
1 绪论第19-32页
    1.1 概述第19-20页
    1.2 国内外研究现状第20-30页
    1.3 主要研究内容与方法第30-31页
    1.4 创新点第31-32页
2 浅埋薄基岩煤层双巷掘进巷道矿压显现规律研究第32-48页
    2.1 浅埋薄基岩煤层覆岩结构运动规律第32-41页
    2.2 浅埋薄基岩煤层巷道矿压显现规律第41-46页
    2.3 本章小结第46-48页
3 浅埋薄基岩窄煤柱巷道失稳机理第48-64页
    3.1 窄煤柱沿空巷道应力分布规律第48-57页
    3.2 矩形巷道及窄煤柱应力分析第57-62页
    3.3 本章小结第62-64页
4 浅埋薄基岩巷道窄煤柱合理宽度第64-84页
    4.1 不同宽度煤柱应力分布第64-65页
    4.2 煤柱合理宽度分析第65-69页
    4.3 煤柱合理宽度数值分析第69-82页
    4.4 本章小结第82-84页
5 浅埋薄基岩窄煤柱巷道围岩控制技术第84-92页
    5.1 浅埋薄基岩窄煤柱巷道“两区”控制机理第84-89页
    5.2 浅埋薄基岩窄煤柱巷道“两区”控制技术第89-91页
    5.3 本章小结第91-92页
6 工程实践第92-101页
    6.1 试验巷道生产地质条件第92-95页
    6.2 锚杆支护设计第95-96页
    6.3 支护效果分析第96-99页
    6.4 本章小结第99-101页
7 结论与展望第101-105页
    7.1 主要结论第101-104页
    7.2 研究展望第104-105页
参考文献第105-113页
作者简历第113-116页
学位论文数据集第116页
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