曹家滩矿井特厚煤层沿空巷道强矿压显现机制及卸压控制研究

Study on strong rock pressure behavior mechanism and pressure relief control ofgob-side entry in Caojiatan Mine with extra thick coal seam

我国神榆矿区煤炭资源丰富,且煤层多以特厚煤层为主,特厚煤层在综放强采动过程中扰动大,矿压显现剧烈,巷道围岩变形严重。尤其是双采面采场沿空巷道在回采过程中受2次采动影响,在矿压叠加作用下巷道围岩变形机制更为复杂。为此,针对曹家滩矿井特厚煤层强采动下回风巷道底鼓变形问题,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的研究手段对全采场覆岩运移规律和巷道围岩变形控制展开系统研究,最终形成一套适用于特厚煤层切顶卸压护巷关键技术。主要研究成果如下:(1)基于关键层理论分析采场覆岩双关键层断裂特征,建立双关键层影响下采场横、纵向承压结构力学模型,细化横、纵向承压结构失稳状态,并求解各状态下系统失稳解析式,分析断裂角、关键块块度、内摩擦角等参数对系统稳定性的影响关系。同时,分析双关键层承压结构同时、非同时破断条件下动压显现规律,揭示采场强矿压显现机制。(2)基于弹性力学理论建立在非对称荷载下底板应力分布力学模型,分析底板应力随不同深度和水平位置的变化规律,揭示巷道非对称底鼓力学机制。运用滑移线理论和突变理论分别建立复合底板软、硬岩层的变形力学模型,而后结合能量耗散理论建立复合底板系统能量平衡方程,求解出硬岩突变失稳的充分、必要条件,揭示非对称荷载作用下的复合底板协同非对称变形机制。(3)基于拉杆断裂理论并考虑岩石微元Weibull分布建立双孔聚能爆破损伤力学模型,分析损伤度与聚能系数、爆心距的相关性,结果显示双孔间距、损伤度与聚能系数、炸药直径均呈正相关关系,而损伤度与爆心距呈负相关关系。同时,运用LS-DYNA数值分析非聚能爆破与聚能爆破条件下的裂隙扩展特征,分析有效应力、质点振动速度的衰减规律,揭示聚能爆破裂隙定向扩展力学机制。(4)基于双采场压力分布特征,分析聚能爆破切顶采场横、纵向卸压机制,并利用3DEC软件进行验证,同时,分析不同切顶参数下卸压效果,结果显示在工作面方向切顶,可到巷帮双向的卸压效果;切顶角度主要影响短悬臂结构的承载力,较大的切顶角度更有利于顶板的迅速垮落,卸压效果更好;关键层是矿压传递的主要岩层,当切顶长度未打断关键层前,随着切顶长度增加,端头区应力降低幅度也越大,但切断关键层后,该正相关效应变得不明显。同时,切顶长度影响矸石的碎胀充填率,合理利用矸石的碎胀特性是采场矿压控制的关键。(5)基于理论分析、数值计算结果优化切顶关键参数,设计4种试验方案,并在现场开展切顶卸压工程应用,监测结果显示采场存在大、小周期来压,验证理论、数值分析的合理性。切顶后矿压变化结果显示切顶对工作面远端处矿压影响较小,而对近端回风巷道端头有明显的卸压作用;卸压后的支架压力、来压步距及煤体应力集中系数明显减小;而增加加强爆破孔和减小NPR锚索支护密度有利于切顶后采空区的顶板的垮落,对卸压效果和底鼓治理更有利。在最优切顶试验方案下煤体应力降低50%~55%,底鼓量平均降低66.7%~90%,该技术实施达到卸压兼治底鼓的目的。