基于动压巷道底板应力演化的巷道底鼓机理及控制技术研究

摘要

动压巷道底鼓机理尚未完全搞清。本文以景福矿为工程背景，首先采用数值模拟分析了不同动压阶段巷道底板的应力和变形破坏的演化规律，揭示了巷道底鼓机理，同时根据巷道围岩变形大小确定了合理的煤柱宽度。然后采用理论分析的方法，建立了侧向支承压力作用下不同宽度区段煤柱底板的受力模型，分析了煤柱宽度、垂直应力集中系数、推力角度（区段煤柱中的非垂直力与垂直方向的夹角）、底鼓卸压区宽度和底鼓骤增区宽度等因素与底板应力应变的关系。随后根据对底鼓机理的研究，设计出不同的底鼓控制方案，采用数值模拟研究了不同方案巷道围岩的应力、变形和破坏规律，并确定了合理的支护方案。最后根据现场实测，验证了新支护方案对巷道围岩变形的控制效果，并总结了景福矿动压巷道的底鼓因素，取得的主要成果如下： （1）开采稳定后的巷道围岩应力均不能反映巷道底鼓趋势，但巷道底角水平位移和巷道底鼓随煤柱宽度的变化几乎完全一致，因此可以认为巷道两帮底板水平位移是巷道底鼓的缩影。 （2）动压巷道每个时期产生底鼓的原因不尽相同，但底鼓的原因都是由于巷道两帮受到了垂直应力或推力。垂直应力和推力都通过两个方面来导致巷道底鼓：①垂直应力直接在底板产生次生水平应力，推力则直接向底板提供水平方向的分力；②垂直应力和推力通过影响巷道巷道两帮变形间接影响巷道底鼓，两帮变形越大，巷道越容易底鼓。 （3）巷道底鼓主要发生在相邻工作面回采稳定时期，这是由于关键块B回转失稳导致区段煤柱中产生了较大的推力，推力可以大幅提高巷道底板的应力与变形，而且推力角度越大，巷道底板应力越大。由于推力具有一定范围，故可以将煤柱底板分为底鼓卸压区、底鼓骤增区和底鼓减小区，其中底鼓骤增区为推力所在区。底鼓卸压区和底鼓骤增区宽度对巷道底板应力的影响均通过改变推力的宽度或推力到巷道的距离来实现，宽度越大，距离越小，影响程度越大。 （4）煤柱中的推力阻断巷道具有显著减小巷道底鼓的作用，巷道底鼓量随着推力阻断巷到 15202 进风巷距离的增加而线性增大；巷道底鼓量随着卸压槽深度的增加线性减小，而且卸压槽具有将巷道底板应力转移到巷道围岩深处的作用，槽越深，转移效果越好，但卸压槽对巷道帮顶变形影响不大；反底拱+底板锚杆支护大大减小了巷道围岩的变形量，是最佳的巷道底鼓控制方案。 （5）景福矿 15202 工作面进风巷底鼓主要是由于存在强烈的采动应力、底板较厚的泥岩和较差的支护，该矿合理的煤柱宽度为25m。

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