【摘要】：如何加快掘進效率、緩解采掘接替緊張是高瓦斯礦井亟需解決的問題。合理利用煤層內(nèi)部瓦斯壓力降低區(qū)域,減少防突措施執(zhí)行頻率,可有效提高掘進效率。本文以宣東二號煤礦Ⅲ3302工作面巷內(nèi)充填沿空掘巷為研究對象,通過室內(nèi)試驗、理論計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段,研究如何在大采深、高瓦斯的礦井中實施沿空掘巷。文章以高水材料為主料,研制符合礦山要求的充填料漿并給出其組成與配比,對充填體的性能以及影響因素進行了實驗研究;分析巷內(nèi)充填體上覆巖層的斷裂結(jié)構(gòu),給出充填體與直接頂、基本頂之間的協(xié)調(diào)變形關(guān)系;提出了充填體、關(guān)鍵塊體B穩(wěn)定的條件與判斷公式;建立了煤柱-充填體的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型,分析煤柱與充填體之間的力學(xué)關(guān)系;利用數(shù)值計算方法對影響煤柱塑性區(qū)寬度的因素進行了分析;揭示了不同煤柱寬度、不同充填體強度下的圍巖變形破裂規(guī)律;提出高瓦斯礦井沿空掘巷煤柱寬度的綜合確定方法,確定了煤柱寬度的合理范圍;將以上研究在工程實踐中進行應(yīng)用,通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測,驗證了在高瓦斯礦井中進行巷內(nèi)充填沿空掘巷的可行性。文章的主要研究內(nèi)容有以下幾點:(1)研制了符合礦山工程要求的充填料漿,給出其具體組成與配比;對充填體的力學(xué)性能以及影響因素進行分析;建立了充填體抗壓強度的二元回歸數(shù)學(xué)模型;對井下現(xiàn)場的充填工藝流程、參數(shù)進行說明。(1)研究了符合現(xiàn)場工程要求的充填料漿,確定了充填料漿的水灰比1.5:1、矸石摻量10%。對充填體的力學(xué)性能以及影響因素進行了試驗研究與分析。(2)利用Matlab數(shù)學(xué)軟件,建立二元回歸模型,經(jīng)過回歸分析和檢驗,建立抗壓強度數(shù)學(xué)預(yù)測模型,并對預(yù)測數(shù)據(jù)進行誤差分析。(3)對井下巷內(nèi)充填的充填工藝參數(shù)、工藝流程、充填體的加強結(jié)構(gòu)進行了詳細介紹。(2)簡化了充填體與上部巖層的力學(xué)關(guān)系,推導(dǎo)出巷內(nèi)充填體的切頂阻力、切頂高度的計算公式,對充填體上方頂板圍巖的斷裂結(jié)構(gòu)進行分析;研究充填體與頂板之間的協(xié)調(diào)變形關(guān)系;分析頂板斷裂后關(guān)鍵塊體B與充填體保持穩(wěn)定的判斷條件。(1)分析了充填體上方覆巖的斷裂形式,簡化巷內(nèi)充填體與頂板的力學(xué)模型,推導(dǎo)出巷內(nèi)充填體的切頂阻力、切頂高度的表達式。(2)給出了關(guān)鍵塊體B與下沉量ΔS_B、旋轉(zhuǎn)角度α之間的關(guān)系,以及其自身穩(wěn)定性的判定條件。分析了巷內(nèi)充填體與直接頂、基本頂之間的協(xié)調(diào)變形關(guān)系。(3)研究了充填體在水平方向上的穩(wěn)定性,認為充填體采空側(cè)的受力可以近似利用朗肯土壓力公式進行計算,提出了充填體保持平衡的條件。(3)以煤柱-充填體作為研究對象,建立了煤柱-充填體接觸面力學(xué)模型,分析巷內(nèi)充填沿空掘巷煤柱-充填體的受力特點;研究煤柱與充填體之間的力學(xué)關(guān)系,并分別計算應(yīng)力極限平衡區(qū)的范圍;分析了瓦斯壓力、支護阻力、煤體內(nèi)聚力等對圍巖塑性區(qū)的影響;建立數(shù)值模型對不同支護方案進行了數(shù)值分析。(1)研究了沿空掘巷窄煤柱的留設(shè)特征以及破壞機理,對煤柱、充填體所能承受的極限強度(σ_(Jm)、σ_(Jc))進行了計算。(2)建立煤柱-充填體力學(xué)關(guān)系模型,對煤柱與充填體接觸面進行力學(xué)分析,得出煤柱與充填體之間作用力F_0的表達式,為進一步分析煤體與充填體之間的關(guān)系提供幫助。建立煤柱-充填體兩幫力學(xué)模型,分別給出煤柱與充填體各自塑性區(qū)的計算表達式。(3)利用數(shù)學(xué)計算軟件Matlab,分析了沿空掘巷巷道周圍塑性區(qū)半徑與充填體強度、煤層瓦斯壓力、支護阻力、煤體內(nèi)聚力之間的關(guān)系。(4)提出巷內(nèi)充填沿空掘巷的煤柱-充填體寬度的確定方法,認為高突礦井巷內(nèi)充填沿空掘巷的煤柱-充填體寬度需結(jié)合理論計算、數(shù)值模擬、工程實踐、瓦斯壓力測量等范圍共同確定。(5)研究深部圍巖巷道與支護的關(guān)系,給出了巷道的變形曲線,同時對支護阻力、圍巖塑性區(qū)半徑、巷道周邊的位移之間的關(guān)系進行了分析。(4)對覆巖關(guān)鍵層巖芯取樣進行力學(xué)性質(zhì)測定,采用應(yīng)力解除法進行地應(yīng)力測量,得到了煤層上方的原巖應(yīng)力分布情況,為數(shù)值模擬分析提供了更加準確的數(shù)據(jù)。利用Flac3D數(shù)值模擬軟件,分析了不同煤柱寬度、不同充填體強度下沿空掘巷巷道的圍巖應(yīng)力與位移情況。(1)對關(guān)鍵巖層進行巖芯取樣,并對巖石的力學(xué)參數(shù)進行測定。利用應(yīng)力解除法,選用空心包體計進行地應(yīng)力水平測量,得出礦井原巖應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力相差較小,豎向應(yīng)力為最小主應(yīng)力,以及各方向應(yīng)力的數(shù)值變化范圍。(2)建立數(shù)值模型,模擬煤柱寬度分別為2m、3m、4m、5m、6m時(充填體強度10MPa),充填體強度分別為12MPa、10MPa、9MPa、8MPa時(煤柱寬度4m)的沿空掘巷巷道的應(yīng)力變化與位移情況。(3)通過對數(shù)值模擬的結(jié)果分析,得出數(shù)值模擬條件下的沿空掘巷煤柱寬度的范圍。(4)根據(jù)現(xiàn)有的支護構(gòu)件的具體參數(shù),建立模型并對不同支護方案進行數(shù)值分析,得出沿空掘巷巷道的最佳支護參數(shù),確定巷道的支護方案。利用數(shù)值模擬,分析了該支護方案下的巷道圍巖變形情況。(5)通過理論計算、數(shù)值模擬、工程實際等綜合確定煤柱的合理寬度。利用巷道表面位移、頂板離層監(jiān)測、支護構(gòu)件受力、頂板鉆孔窺視等手段對沿空掘巷的巷道在掘巷和回采期間的礦壓觀測數(shù)據(jù)進行分析,得出在高突礦井中實施巷內(nèi)充填沿空掘巷可明顯提高掘進效率,具備可行性。(1)通過對煤層瓦斯壓力、鉆屑量的數(shù)據(jù)測量與計算,得出瓦斯壓力小于0.74MPa或瓦斯含量低于8m~3/t的區(qū)域范圍,結(jié)合沿空掘巷煤柱寬度的理論計算、數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)等最終確定了宣東二號煤礦采用巷內(nèi)充填沿空掘巷的煤柱寬度。(2)對充填體所受的壓力變化進行監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明充填體的受力均在其極限強度范圍內(nèi),給出了工程實際應(yīng)用中的巷道支護參數(shù)。(3)利用表面位移觀測、頂板離層觀測、支護構(gòu)件的受力監(jiān)測以及頂板鉆孔窺視等手段,對巷道掘進期間、回采初期進行礦壓觀測,分析了巷道圍巖的變形與破壞情況。(4)通過支護構(gòu)件的受力監(jiān)測分析,得知沿空掘巷的受力主體是實體煤幫,它承載了大部分上覆巖層的重量。支護構(gòu)件受力檢測顯示,回采期間支護構(gòu)件受采動影響較大,已經(jīng)接近承載極限。個別地段頂板變形破壞嚴重需要加強維護。(5)通過頂板鉆孔窺視,分析了掘進與回采期間,頂板深部圍巖隨工作面推進的破壞情況,其中掘進期間圍巖未見明顯破壞,巷道的支護設(shè)計方案對圍巖的變形起到了明顯的控制作用,回采期間圍巖與工作面距離的越近,破壞也越嚴重。
【圖文】：

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文對高水材料試塊進行強度測試。按照水泥標準養(yǎng)護條件，抗壓強度測定。參照 GB/T17671-1999 標準進行強度的實采用普通的單軸抗壓強度實驗，抗剪強度采用角模實驗，法實驗，，其實驗測定結(jié)果如表 2.1 所示：表 2.1 不同齡期的試塊強度Tab2.1 Different age test block strength抗壓強度(MPa) 抗折強度(MPa) 抗拉強3.7 1.4 05.9 2.5 07.64 3.6 010.86 4.1 0

2 充填材料及其工藝 水速凝材料的甲料和乙料兩種單獨放置的漿液進行混合后有大量的針狀鈣礬石的晶體結(jié)構(gòu)生成。這是前期高水速凝反應(yīng)速度很快，因此在高水材料試塊養(yǎng)護前期，材料的抗齡期的不斷變長，反應(yīng)速度逐漸放慢，材料的抗壓強度的高水速凝材料的強度發(fā)展曲線與力學(xué)指標進行測定，結(jié)果材料的微觀特性料硬化體的微觀分析包括兩部分，第一是微觀形貌，第二是料的硬化體的微觀形貌和物相結(jié)構(gòu)在不同的時期具有不同固化初期，物相以針狀鈣礬石為主，但是隨著環(huán)境和溫度的漸的發(fā)生變化而生成其他物質(zhì)。一般來講，高水材料中的比在 80%以上。鈣礬石呈三方晶系，柱狀結(jié)構(gòu)。隨著環(huán)境逐漸發(fā)生變化，生成其他物質(zhì)。鈣礬石的晶體結(jié)構(gòu)如圖 2
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD263;TD353

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本文編號：2709315