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深井切顶留巷顶板稳定与协同控制研究

【摘要】:切顶留巷具有取消区段煤柱,缓解采掘接续紧张,消除上隅角瓦斯积聚等技术优势,是提高煤炭回采率、降低巷道掘进率、实现深井安全高效开采的关键技术方法之一。切顶留巷使用周期长,顶板受力复杂,顶板稳定影响因素多,给巷道顶板控制提出了更高要求。本文针对深井切顶留巷顶板稳定与协同控制问题,采用相似模拟、数值计算、理论分析及工程验证等综合研究方法,研究了切顶留巷直接顶与基本顶结构演化特征、基本顶预裂爆破成缝与稳定机理、切顶爆破参数的卸压效应、切顶留巷直接顶全周期变形机理及顶板协同支护机理,提出了切顶留巷协同控制技术并进行了工程实例验证,主要结论如下:(1)明确了切顶留巷直接顶与基本顶全周期力学结构为悬臂梁结构。通过相似模拟分析了切顶留巷直接顶与基本顶全周期结构演化特征,得到了预裂切顶能够起到卸压作用,在此基础上提出了切顶留巷顶板稳定控制的关键问题。(2)获得了保证顶板成缝与保留岩体完整性的爆破参数及最优卸压效果的切顶参数。以祁东煤矿7135工作面回风巷为工程背景,通过数值模拟研究分析了聚能爆破、普通爆破、不同线装药密度及不同炮孔间距条件下裂纹扩展规律,不同切顶深度与切顶角度的顶板卸压效应,得到了炮孔间距与线装药密度(装药长度)是顶板成缝与保留岩体完整性的关键因素、切顶深度9m及切顶角度80°时卸压效果最优。(3)提出了动静耦合作用下切顶留巷基本顶成缝与稳定判据。基于岩层中应力波衰减公式,建立了基于抗拉强度的基本顶成缝判据,获得基本顶成缝时装药长度及炮孔间距之间的最小量化关系,基于动静耦合作用下基本顶受力特征,建立了基本顶力学模型,获得了以抗拉强度为临界指标的基本顶稳定判据,并获得了基本顶稳定时装药长度与炮孔间距的最大量化关系;揭示了爆破应力波在基本顶内呈拉压交替变换且巷道基本顶同一位置持续受到拉、压应力作用的传播规律。(4)建立了切顶留巷直接顶全周期力学模型,获得了切顶留巷直接顶变形机理。分析了切顶留巷直接顶全周期顶板结构与受力特征,建立了巷道直接顶全周期力学模型,获得了巷道顶板变形机理表达式,得到了切顶前后巷道顶板变形规律、留巷期间顶板变形量与巷内临时支护位置及支护刚度之间的量化关系。(5)研究了切顶留巷巷内协同支护机理。分析了切顶巷道留巷期间直接顶与基本顶协调变形力学特征,建立了直接顶与基本顶组合力学模型,得到了直接顶与基本顶层间剪应力计算表达式,获得了层间错动判据,分析了层间剪力差与锚杆支护网度、预紧力及临时支护体支护刚度之间的量化关系,分析并获得了临时支护阻抗层间错动具有显著的埋深效应。(6)提出了切顶巷道协同控制思路及祁东煤矿7135工作面留巷期间顶板控制技术,得到了切顶巷道顶板在一次采动至留巷稳定阶段,顶板最大变形量为318mm,垛式支架工作阻力位于合理变化区间,顶板未出现结构性失稳变形,实例验证了理论计算及顶板控制技术的合理性。图[84]表[17]参[151]

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