【摘 要】
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在煤层的开采过程中,巷道及工作面的开掘对上覆岩层的稳定造成了一定扰动,引起一定范围内的离层、变形、回转下沉现象,而这部分岩层的自重载荷是由煤壁-采空区结构承载,但采空区是由冒落矸石形成,其具有一定碎胀性的同时,冒落带内部缝隙较大,在刚垮落时,密实度不够,不能较好的承担上覆岩层自重载荷,仅对达到一定密实度区域的上覆岩层形成有效支撑,因此,上覆岩层的大部分自重载荷只能转移作用到煤壁上,由此在工作面前方
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在煤层的开采过程中,巷道及工作面的开掘对上覆岩层的稳定造成了一定扰动,引起一定范围内的离层、变形、回转下沉现象,而这部分岩层的自重载荷是由煤壁-采空区结构承载,但采空区是由冒落矸石形成,其具有一定碎胀性的同时,冒落带内部缝隙较大,在刚垮落时,密实度不够,不能较好的承担上覆岩层自重载荷,仅对达到一定密实度区域的上覆岩层形成有效支撑,因此,上覆岩层的大部分自重载荷只能转移作用到煤壁上,由此在工作面前方形成应力峰值,并对一定范围的煤岩体造成影响,使其高于原岩应力。同时,如果上覆岩层中存在强度较高,力学特性突出的厚硬岩层(通常为关键层),则应力峰值会通过这部分岩层加剧向前传递,造成超前支承压力影响范围增大,煤壁前方巷道围岩应力升高、变形失稳等现象,因此,本文通过对超前支承压力的分布规律进行研究分析,提出采用爆破切顶卸压技术,在厚硬岩层内形成结构弱面,破坏其完整性及连续性,以达到缩小超前支承压力影响范围的同时,改善巷道应力环境的目的。本文以南关煤业3209工作面为研究背景,为较好的掌握巷道围岩分布及其力学特性,选择在工作面内进行钻孔取芯作业,获得煤岩体样本,根据相关标准进行巷道围岩力学参数测试,并根据实验结果及岩层产状,确定了对矿压显现起决定性作用的关键层位置,为切顶卸压设计提供基础资料。通过理论分析等方法,根据岩层破坏程度,进行爆破卸压损伤分区及其范围计算;利用载荷估算法,对切顶前后煤柱承载应力进行初步计算,分析了切顶卸压的作用机理,随后以基本顶岩层建立力学模型,分析岩梁受力状态,计算切顶前后的采区大巷处所需支承应力大小;最终基于极限平衡理论及半平面体解法,对工作面采动引起的超前支承压力分布规律及采区大巷处应力环境进行定量分析,确定巷道围岩变形原因。采用数值模拟方法对切顶卸压关键参数进行优选,以不同切顶角度、不同切顶高度为变量,以工作面相关地质条件为背景,建立有限元数值计算模型,综合分析采动条件下,不同关键参数在切顶前后的应力分布规律、塑性区状态、岩层位移、超前影响范围等,对切顶卸压方案的确定提供依据。通过对超前支承压力分布规律及切顶卸压技术的综合分析,针对3209工作面地质条件,提出在回撤通道内对基本顶岩层进行深孔爆破切顶卸压的方案,并进行了工业性试验及矿压监测,监测数据表明,切顶卸压可破坏超前支承压力的传递路径,大幅缩小超前支承压力影响范围,对保护大巷安全,提高巷道围岩稳定性具有重要意义。
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