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随着煤炭资源的不断开发,在我国中东部地区部分老矿井可采资源储量日益缩减,矿井进入残采阶段,工广煤柱在此阶段具有极高的开采价值。开采工广煤柱时为了保证矿井生产系统的正常运行,需留设一定范围的井筒保护煤柱保证井筒免受采动破坏。本文针对固体充填开采工广煤柱期间井筒保护煤柱的留设尺寸问题,研究了三种井筒保护煤柱留设模型,提出了固体充填开采工广煤柱时井筒保护煤柱留设尺寸设计流程。文章首先对工广煤柱开采过程中影响井筒变形破坏的因素进行了分析研究,得出影响井筒变形破坏的主控因素;其次采取理论分析、数值计算、回归分析等研究方法,研究了不同影响因素条件下固体充填开采工广煤柱井筒变形破坏规律,得出了固体充填开采工广煤柱时井筒受到最大轴向应力预计公式,分别提出了基于理论分析和基于数值模拟的井筒保护煤柱留设模型;综合以上井筒保护煤柱留设模型,提出了固体充填开采合理井筒保护煤柱留设尺寸设计流程。最后以百善煤矿为例,设计了井筒保护煤柱的留设尺寸,在此基础上设计了工广煤柱区域充填开采方案,并通过概率积分法预计了井筒变形。论文取得了以下主要成果:(1)根据百善煤矿675地表移动观测站和“三带”观测孔的数据,选取了垂直剖面法留设井筒保护煤柱参数,对百善煤矿井筒保护煤柱留设尺寸进行了设计,设计的井筒保护煤柱边界呈椭圆形,长半轴205m,短半轴190m,所圈定的面积为126797.4m2,压煤量为54.9万t,占工广煤柱压煤量的25%。(2)通过对现有文献归纳总结,对井筒变形影响因素进行了研究,提出充实率和井筒保护煤柱半径为固体充填开采条件下影响井筒变形破坏的主控因素,指出保证井筒稳定,控制井筒最大轴向应力是固体充填开采井筒保护煤柱尺寸设计关键,井筒变形破坏判断标准为s()￡[s]cz。应用高斯影响函数,根据“等价采高”理论,对固体充填开采情况下,井筒变形与充实率和井筒保护煤柱半径的关系进行研究,得出井筒最大轴向应力预计公式,提出了基于理论分析的井筒保护煤柱留设模型。(3)采用ABAQUS三维有限元数值分析软件,研究了固体充填开采工广煤柱井筒变形破坏规律:最大轴向应力与充实率负相关,当煤柱开采半径为132m时,合理的充实率不得低于50%;最大轴向应力与井筒保护煤柱半径负相关,当充实率为80%时,合理的煤柱半径应大于110m。根据数值模拟研究结果,回归得出井筒最大轴向应力预计公式,提出了基于数值模拟的井筒保护煤柱留设模型。(4)综合垂直剖面法、力学分析、数值模拟三种井筒保护留设模型,提出了固体充填开采工广煤柱时井筒保护煤柱留设尺寸的设计流程,并以百善煤矿为例,设计了井筒保护煤柱的留设尺寸,并采用surfer地图分析软件绘制工广煤柱区域充实率控制指标,生产过程中当前区域充实率不得低于该指标。完成试验矿井工广煤柱区域工作面布置,并根据概率积分法对该设计进行了井筒变形破坏预计,进一步对井筒保护煤柱留设尺寸进行修正。