厚松散层特厚煤层综放开采巷道围岩变形机理及控制研究

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随着我国能源开发战略布局西移,西部特殊地质条件为煤炭开采提出了更多的挑战,厚松散层特厚煤层综放开采巷道围岩变形机理及控制方面的研究已成为当前研究的热点和难点之一。现有普通综放理论已难以保证厚松散层、特厚煤层、大采高、大采放比等复杂条件下煤炭资源的安全高效开采,因而开展全空间多因素状态下的巷道围岩变形机理及控制研究是一项急需解决的任务。本文综合物理力学试验、理论分析、相似材料试验、数值计算、现场工业性试验等手段和方法,系统研究了厚松散层特厚煤层巷道围岩变形机理,建立了巷道围岩的力学分析模型,分析了位移、应力、能量等参量的变化规律。论文的主要创新工作和研究成果包括以下几个方面:(1)建立了基本顶及上覆岩层的结构力学模型,确定了上覆岩体的结构参数,给出了上覆岩体滑落、回转、切落的判据;建立了“内外结构”悬臂梁结构模型,得到了不放煤段长度、煤层厚度、煤柱宽度等多因素耦合情况下的弯矩组合方程,给出了结构破坏的能量判据和顶板切落情况下的动载因数及冲击载荷计算公式。(2)修正了基于极限平衡理论的煤体边缘力学平衡方程,建立了巷道侧煤柱边缘煤体和采空区侧煤柱边缘煤体的力学模型,推导出了煤柱边缘塑性区内应力及塑性区宽度的关系式和区段煤柱合理宽度的计算公式。(3)构建了特厚煤层综放开采相似模拟试验模型,分析了位移及应力的分布规律,研究了覆岩破断结构及巷道围岩结构的稳定性,发现了煤层厚度对顶板及上覆岩体的变形量和煤柱宽度对顶板断裂位置的影响,得到了单一关键层和复合关键层的冒落角、位移和应力随推进距离变化及巷道围岩应力随煤柱宽度变化的回归方程。(4)采用离散元数值计算方法分析了煤柱宽度、不放煤段长度、煤层厚度等不同组合条件下巷道围岩变形特征,得到了覆岩下沉系数随煤层厚度的变化规律,验证了端头不放煤段的悬臂梁结构,给出了两帮和顶底板变形量的关系式,确定了最优的端头不放煤段长度和合理的区段煤柱宽度。(5)设计了厚松散层特厚煤层综放开采巷道围岩支护方案,利用FLAC3D对巷道变形进行了对比分析,确定了最优支护参数。通过现场工业性试验和实测,得到采动影响下巷道围岩的变形规律,验证了厚松散层特厚煤层综放开采巷道围岩变形机理和控制的效果。
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