回采巷道頂板切縫減小護巷煤柱寬度的技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、在開采煤炭過程中，為了保護巷道和管理采場項板，常常留下各類煤柱，這些煤柱是造成地下資源損失的主要根源。特別是近些年來，在煤層頂板中存在一層或者數(shù)層較堅硬的巖層地質(zhì)條件下，隨著礦井機械化程度的提高，工作面采高的增加，采動影響范圍越來越大，回采巷道煤柱上集中應(yīng)力增加，分布范圍增大，導(dǎo)致回采巷道護巷煤柱很大。對于高瓦斯礦井，為了滿足安全生產(chǎn)的需要，工作面采用“兩進兩回”或“三進兩回”的布置方式，為了減少巷道掘進率，其中一條或者兩條回采巷道保留

2、下來為下個工作面利用，免受工作面采動影響，一側(cè)護巷煤柱寬度達到50m，這樣導(dǎo)致回采巷道煤柱寬度問題更為突出，而這些煤柱又難以回收，導(dǎo)致采區(qū)回采率大幅下降，煤炭資源損失嚴重。因此，開展減小回采巷道護巷煤柱寬度的技術(shù)基礎(chǔ)研究，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科學問題，有著重要的科學意義和廣泛的應(yīng)用前景。
　　 護巷煤柱能否減小，取決于開采時工作面?zhèn)认驊?yīng)力集中的程度，而集中應(yīng)力大小又取決于開采煤層的厚度、強度、煤層頂、底板巖層

3、結(jié)構(gòu)及其力學特性以及垮落后頂板形成的結(jié)構(gòu)等因素。隨著采高的增大，冒落的矸石難以充滿采空區(qū)，頂板以一定角度向采空區(qū)傾斜，側(cè)向集中應(yīng)力增大，煤柱邊緣煤體破壞，集中應(yīng)力向煤體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致煤柱寬度大幅增加；因此，能夠保證安全、有效的減小煤柱的寬度，側(cè)向集中應(yīng)力控制尤為關(guān)鍵。根據(jù)開采引起集中應(yīng)力分布規(guī)律，提出用預(yù)裂爆破切縫的方法轉(zhuǎn)移開采引起煤柱集中應(yīng)力(沿靠近工作面回采巷道頂板上方邊緣垂直項板切縫)，即預(yù)裂爆破切縫弱化采動影響應(yīng)力傳遞減小護巷煤柱寬

4、度。本文針對趙莊煤礦的地質(zhì)條件，采用理論分析、實驗室模型試驗、數(shù)值模擬計算的綜合研究方法，對切縫前、后側(cè)向頂板形成結(jié)構(gòu)、垮落移動變形特征、圍巖、側(cè)向煤體應(yīng)力分布規(guī)律等進行研究，獲得如下主要結(jié)論：
　　 (1)當頂板未切縫時，垮落的矸石未能充滿采空區(qū)，側(cè)向頂板處于懸臂狀態(tài)，此時頂板結(jié)構(gòu)可簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)；當回采巷道項板切縫并且垮落矸石充滿采空區(qū)時，側(cè)向項板在矸石的支撐作用下可簡化為多跨梁結(jié)構(gòu)。
　　 (2)根據(jù)側(cè)向項板的結(jié)

5、構(gòu)形式，通過受力分析，建立了側(cè)向附加集中應(yīng)力的力學模型，得出切縫前、后工作面?zhèn)认蝽敯暹\動在煤體中產(chǎn)生的集中應(yīng)力計算公式：
　　 未切縫時：()
　　 切縫后(垮落的矸石充滿采空區(qū))：
　　 (3)基于趙莊礦地質(zhì)條件，采用相似模擬試驗和數(shù)值模擬研究了不同切縫深度下頂板垮落特征，煤柱及上覆巖層應(yīng)力分布變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明，以切縫深度作為垮落角頂點，隨著切縫深度的增加，垮落角逐漸減小。不切縫時，垮落角為61°，當切縫

6、深度為25m時，垮落角為37°，切縫深度為20m時，垮落角為33°；隨著切縫深度的增加，煤柱應(yīng)力峰值和平均應(yīng)力逐漸減小，峰值位置越靠近采空區(qū)邊緣。與不切縫相比，當切縫深度為15m時，煤柱應(yīng)力峰值與平均應(yīng)力減小幅度最大，分別減小了46.5％和48.3％，之后隨著切縫深度的增加，減小幅度較小。
　　 隨著切縫深度的增加，煤柱應(yīng)力峰值位置與回采巷道煤壁距離呈負指數(shù)規(guī)律減小，與工作面后方距離呈負對數(shù)規(guī)律減?。慌c煤柱平均應(yīng)力呈負對數(shù)規(guī)律減

7、小。
　　 (4)在煤柱上覆巖層，隨著切縫深度的增加，應(yīng)力峰值逐漸減小，巖層層位越低，應(yīng)力峰值越大；在采空區(qū)上覆巖層靠近切縫邊緣，其應(yīng)力逐漸增加，巖層層位越高，應(yīng)力越大。與不切縫相比，切縫深度為15m時，巖層應(yīng)力峰值減小幅度較大，10m高處巖層應(yīng)力峰值為15.8MPa，20m高處為14MPa，之后減小幅度較小；切縫深度達到30m時，10m高處巖層應(yīng)力峰值為15MPa，20m高處巖層應(yīng)力峰值為12.98MPa。
　　 (5