浅埋煤层开采双巷布置煤柱上覆岩层结构分析与合理宽度研究

摘要

中国西部地区浅埋煤层主要采用双巷布置留设宽煤柱（大于20m小于30m）护巷的方式，宽煤柱在保证安全回采的同时造成了煤炭资源的大量浪费，如何确定煤柱的合理宽度是亟需解决的问题，解决问题的决定性因素是对煤柱上方覆岩结构的分析研究。本文以浅埋煤层煤柱及其上覆岩层结构为研究对象，结合冯家塔煤矿的工程实践，采用理论分析、数值模拟以及现场实测等方法，分析了浅埋煤层开采后煤柱上覆岩层空间结构，研究了护巷煤柱的合理宽度。主要研究成果如下： （1）基于关键层判别理论，确定了冯家塔3203工作面附近的覆岩主关键层以及亚关键层。基于砌体梁“S-R”稳定理论，对冯家塔煤矿3203工作面上覆基岩结构失稳进行判别，亚关键层基岩结构不会发生回转失稳，发生滑落失稳，主关键层基岩不发生回转失稳形成稳定的砌体梁结构，煤柱上方覆岩结构空间形成了小“F”结构。浅埋煤层开采后，基于上覆岩层空间结构对煤柱稳定性的主要影响因素，将其分为主关键层悬臂梁结构（大“F”结构）和多层顶板组合“悬臂-铰接梁”结构（小“F”结构），并采用数值模拟的方法，研究了这两种结构对煤层底板和煤柱内应力分布规律以及顶板移动规律。 （2）通过分析顶板悬臂梁结构（大“F”结构）的力学模型，得出浅埋煤层顶板厚度越小，形成顶板悬臂梁结构的延伸长度越短，顶板上覆载荷越小，由顶板传递至煤柱的载荷就越小，煤柱内应力集中现象越不明显，煤柱的稳定性越好，越有利于回采巷道的维护。分析了多层顶板“悬臂-铰接梁”（小“F”结构）之间的力学关系，推导了煤柱保持稳定所需承受支承载荷的计算公式，得出煤柱内控制上覆岩层的支承应力主要包括三个部分：（a）煤柱上方形成悬臂梁直接顶岩层的块体重量；（b）煤柱上覆岩层各个分层间的作用力；（c）顶板关键层块体之间由于相互挤压与摩擦产生的相互作用力。 （3）基于煤柱上方多层“悬臂-铰接梁”结构力学模型，通过计算得到冯家塔3203工作面煤柱内控制上覆岩层的支承应力为6.21MPa，得出煤柱宽度大于等于7.82m。根据对煤柱上覆岩层空间结构的分析，在数值计算模型关键层与其下部相邻岩层间建立了节理面，改进了传统的数值计算模型，使其更贴近工程实践。采用数值模拟计算的方法，分析了在双巷掘进期间、一次采动期间以及二次采动期间的煤柱稳定性、回采巷道围岩应力分布规律以及弹塑性区分布规律，得出了煤柱合理宽度应为12.5m。 （4）以冯家塔煤矿3203工作面为地质背景，进行了工业性试验。基于改进后的数值计算模型，采用数值模拟的方法，分析了3203工作面辅运巷与运输巷的支护参数对巷道围岩的控制效果，确定了最终支护方案。对3203辅运巷以及3203运输巷进行了监测，并对锚杆液压枕监测数据、测力锚杆监测数据、巷道围岩监测数据以及钻孔窥视数据进行了分析研究，结果表明，基于本文研究成果所确定的煤柱宽度可以保证工作面安全高效的回采，对其他相似地质条件煤柱的确定具有指导作用。

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声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景（Research Background）

1.2.1浅埋煤层开采研究现状

1.2.2煤柱合理宽度研究

1.3 研究内容与方法（Contents and Methods of Research）

2 浅埋煤层回采煤柱覆岩运动规律研究

2.1 冯家塔煤矿煤层开采覆岩结构（Overburden Structure of Coal Seam Mining in Fengjiata Coal Mine）

2.1.1工程地质概况

2.1.2试验巷道围岩力学参数

2.1.3工作面关键层的判定

2.1.4关键层结构失稳

2.2.1煤柱上覆岩层结构分类

2.2.2煤柱上覆岩空间结构特点分析

2.3 本章小结（Brief Summary）

3 浅埋煤层煤柱稳定性机理分析

3.1 浅埋工作面开采扰动特点（ Disturbance Characteristics of Shallow Mining Face）

3.2 坚硬顶板悬臂梁结构力学分析（Structural Mechanics Analysis of Cantilever Beam with Hard Roof）

3.2.1顶板下沉量计算

3.2.2算例分析

3.3 多层顶板组合“悬臂-铰接梁”结构力学分析(Structural Mechanics Analysis of Multilayer Roof Composite "Cantilever-Articulated Beam")

3.3.1煤柱上方顶板结构模型

3.3.2多层顶板煤柱支承压力确定

3.4 本章小结（Brief Summary）

4 浅埋煤层开采合理煤柱宽度的确定

4.1 基于煤柱稳定性的合理煤柱宽度分析（ Analysis of Reasonable Coal Pillar Width Based on Coal Pillar Stability）

4.2 基于巷道围岩变形量的合理煤柱宽度分析（ Analysis of Reasonable Coal Pillar Width Based on Deformation of Surrounding Rock of Roadway）

4.2.1 数值计算模型的建立

4.2.2 实体煤双巷掘进期间

4.2.3 一次采动期间

4.2.4 二次采动期间

4.3 本章小结（Brief Summary）

5 工业性实验

5.1 支护方案确定（Determination of Support Scheme）

5.1.1 支护参数的确定

5.1.2 最终支护方案

5.2 试验巷道矿压监测及效果分析（Rock Pressure Monitoring and Effect Analysis of Test Roadway）

5.2.1 矿压监测测站布置

5.2.2 矿压监测数据分析

5.3 本章小结（Brief Summary）

6 结论

参考文献

作者简历

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