深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓機(jī)理及其防控研究.pdf

1、煤礦開(kāi)采向深部發(fā)展是必然趨勢(shì)，沿空留巷技術(shù)作為煤礦開(kāi)采重要發(fā)展方向，其優(yōu)越性不言而喻。但底鼓現(xiàn)象在沿空留巷中十分普遍，特別是深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷，礦壓顯現(xiàn)極其強(qiáng)烈，底鼓尤為嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響到采煤工作面安全高效開(kāi)采，成為制約沿空留巷成功的主要因素之一。
　　本文采取相似模擬、數(shù)值模擬和理論分析等綜合研究手段，從底板應(yīng)力、應(yīng)變、位移及塑性區(qū)分布特征及其演化規(guī)律入手，細(xì)致分析了沿空留巷底板變形破壞機(jī)制，揭示了深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓機(jī)理

2、，在此基礎(chǔ)上得到了通過(guò)切頂卸壓來(lái)實(shí)現(xiàn)沿空留巷底板應(yīng)力優(yōu)化思路，并闡明了切頂卸壓沿空留巷底鼓防控機(jī)理，從而形成了切頂卸壓、采前加固、采后治理的深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓控制技術(shù)，進(jìn)而提出了該類頂板深井沿空留巷底鼓防控技術(shù)思路。取得了以下研究成果:
　　(1)通過(guò)相似模擬對(duì)深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底板的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明:深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓嚴(yán)重，掘進(jìn)期間就已產(chǎn)生底鼓，但底鼓主要發(fā)生在一次采動(dòng)至二次采動(dòng)采動(dòng)期間;留巷底板深部

3、巖體始終處于受壓狀態(tài)，淺部巖體出現(xiàn)“拉-壓”轉(zhuǎn)換現(xiàn)象;該地質(zhì)條件下沿空留巷底鼓主要由壓曲型底鼓、剪切錯(cuò)動(dòng)型底鼓和擠壓流動(dòng)型底鼓復(fù)合而成，其破壞形態(tài)多以剪切破壞或拉剪破壞為主，并呈現(xiàn)出大變形和偏態(tài)特征。
　　(2)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底板的礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明:工作面回采期間，巷道底板應(yīng)力受采動(dòng)影響范圍為工作面前方60m至工作面后方100m，其中工作面前方10～30m、工作面后方20～60m受采動(dòng)影響較大;巷

4、道底板塑性區(qū)范圍隨著留巷時(shí)期推移不斷增大，但又呈現(xiàn)出階段性和區(qū)域性。整個(gè)沿空留巷期間，巷道底板以剪切破壞為主。自掘進(jìn)頭前方5m至掘進(jìn)頭后方10m（掘巷期間）、工作面煤壁前方30m至工作面煤壁后方20m（一次采動(dòng)期間）及自煤壁至工作面前方40m（二次采動(dòng)期間）巷道底板變形受采、掘影響較大，底鼓量迅速增加。
　　(3)通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓影響因素進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn):底板巖性、頂板巖性、采深、巷道跨度、采高、充填體尺寸

5、及強(qiáng)度對(duì)留巷底鼓影響較大;其對(duì)底鼓影響的主次順序依次為:底板巖性、采深、頂板巖性、巷道跨度、采高，充填體尺寸及強(qiáng)度。
　　(4)基于底鼓發(fā)生階段及其主導(dǎo)性底鼓類型，分別構(gòu)建不同階段不同類型沿空留巷底板力學(xué)模型，對(duì)其底鼓機(jī)理進(jìn)行分析，并推導(dǎo)出巷道底鼓量計(jì)算式、底板變形破壞失穩(wěn)的臨界判別式以及底板破壞深度計(jì)算式，同時(shí)又對(duì)其影響因素和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果顯示:①底板變形較小且為發(fā)生離層時(shí)，巷道底鼓量隨著原巖應(yīng)力及巷幫彈性壓縮區(qū)的外邊界范

6、圍的增大而增大，隨著底板的彈性模量的增大而減小。②底板發(fā)生滑移-彎曲變形時(shí)，底板發(fā)生滑移失穩(wěn)概率隨著巷道跨度及兩端水平應(yīng)力的增大而增大，隨著底板抗彎剛度及巖層分層厚度的增大而減小。③底板發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)破壞時(shí)，因巖體自身強(qiáng)度、剪切錯(cuò)動(dòng)面內(nèi)摩擦角和后期所受水平擠壓力不同，楔狀塊體結(jié)構(gòu)主要有滑移、脫離和擠壓破碎三種失穩(wěn)形式。④底板發(fā)生擠壓流動(dòng)變形時(shí)，留巷底板破壞深度主要與巷道跨度、充填體寬度、煤幫極限平衡區(qū)寬度以及底板巖體內(nèi)摩擦角有關(guān)。

7、　　(5)理論分析和數(shù)值模擬研究結(jié)果表明:對(duì)堅(jiān)硬頂板沿空留巷實(shí)施切頂卸壓后，巷旁所需支護(hù)阻力大大減小，留巷底板應(yīng)力得到優(yōu)化，底鼓量隨之降低，進(jìn)而針對(duì)深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓，提出了“切頂卸壓”的底鼓防控技術(shù)思路。
　　(6)基于深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷底鼓特征及其機(jī)理，提出了“分區(qū)分階段動(dòng)態(tài)防控、圍巖應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)化、圍巖整體性防控、圍巖支護(hù)匹配協(xié)調(diào)、關(guān)鍵部位加強(qiáng)支護(hù)及適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)合理性”總體底鼓防控原則，以及“切頂卸壓頂?shù)谆タ亍奔啊扒许斝?/p>