深井堅硬頂板沿空留巷底鼓機理及其防控研究.pdf

1、煤礦開采向深部發(fā)展是必然趨勢，沿空留巷技術作為煤礦開采重要發(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，特別是深井堅硬頂板沿空留巷，礦壓顯現(xiàn)極其強烈，底鼓尤為嚴重，已嚴重影響到采煤工作面安全高效開采，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、數值模擬和理論分析等綜合研究手段，從底板應力、應變、位移及塑性區(qū)分布特征及其演化規(guī)律入手，細致分析了沿空留巷底板變形破壞機制，揭示了深井堅硬頂板沿空留巷底鼓機理

2、，在此基礎上得到了通過切頂卸壓來實現(xiàn)沿空留巷底板應力優(yōu)化思路，并闡明了切頂卸壓沿空留巷底鼓防控機理，從而形成了切頂卸壓、采前加固、采后治理的深井堅硬頂板沿空留巷底鼓控制技術，進而提出了該類頂板深井沿空留巷底鼓防控技術思路。取得了以下研究成果:
　　(1)通過相似模擬對深井堅硬頂板沿空留巷底板的礦壓顯現(xiàn)特征進行研究。結果表明:深井堅硬頂板沿空留巷底鼓嚴重，掘進期間就已產生底鼓，但底鼓主要發(fā)生在一次采動至二次采動采動期間;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”轉換現(xiàn)象;該地質條件下沿空留巷底鼓主要由壓曲型底鼓、剪切錯動型底鼓和擠壓流動型底鼓復合而成，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)通過數值模擬對深井堅硬頂板沿空留巷底板的礦壓顯現(xiàn)特征進行研究。結果表明:工作面回采期間，巷道底板應力受采動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受采動影響較大;巷

4、道底板塑性區(qū)范圍隨著留巷時期推移不斷增大，但又呈現(xiàn)出階段性和區(qū)域性。整個沿空留巷期間，巷道底板以剪切破壞為主。自掘進頭前方5m至掘進頭后方10m（掘巷期間）、工作面煤壁前方30m至工作面煤壁后方20m（一次采動期間）及自煤壁至工作面前方40m（二次采動期間）巷道底板變形受采、掘影響較大，底鼓量迅速增加。
　　(3)通過數值模擬對深井堅硬頂板沿空留巷底鼓影響因素進行研究。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、及強度對留巷底鼓影響較大;其對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，充填體尺寸及強度。
　　(4)基于底鼓發(fā)生階段及其主導性底鼓類型，分別構建不同階段不同類型沿空留巷底板力學模型，對其底鼓機理進行分析，并推導出巷道底鼓量計算式、底板變形破壞失穩(wěn)的臨界判別式以及底板破壞深度計算式，同時又對其影響因素和穩(wěn)定性進行分析。結果顯示:①底板變形較小且為發(fā)生離層時，巷道底鼓量隨著原巖應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，底板發(fā)生滑移失穩(wěn)概率隨著巷道跨度及兩端水平應力的增大而增大，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)生剪切錯動破壞時，因巖體自身強度、剪切錯動面內摩擦角和后期所受水平擠壓力不同，楔狀塊體結構主要有滑移、脫離和擠壓破碎三種失穩(wěn)形式。④底板發(fā)生擠壓流動變形時，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摩擦角有關。

7、　　(5)理論分析和數值模擬研究結果表明:對堅硬頂板沿空留巷實施切頂卸壓后，巷旁所需支護阻力大大減小，留巷底板應力得到優(yōu)化，底鼓量隨之降低，進而針對深井堅硬頂板沿空留巷底鼓，提出了“切頂卸壓”的底鼓防控技術思路。
　　(6)基于深井堅硬頂板沿空留巷底鼓特征及其機理，提出了“分區(qū)分階段動態(tài)防控、圍巖應力場優(yōu)化、圍巖整體性防控、圍巖支護匹配協(xié)調、關鍵部位加強支護及適應性與經濟合理性”總體底鼓防控原則，以及“切頂卸壓頂底互控”及“切頂卸