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中国部分矿井采用每区段布置一条回风和轨道石门并沿石门两翼布置采煤工作面的开采布局,石门位于开采煤层的底板岩层中。为了保护石门,工作面沿石门两翼布置,两翼工作面长度较短,造成工作面搬家次数较多;同时为了防止底板石门受采动应力的影响,需在两翼工作面预留保护煤柱,造成煤炭资源损失严重。本文以龙湖煤矿左一片44工作面跨采底板石门为背景,通过室内试验、理论分析、数值模拟和物理模拟等方法对薄煤层跨采底板石门围岩应力演化规律进行了研究,并成功的在现场进行了应用。主要结论如下:
(1)通过现场取芯制备力学试验试件,进行了单轴抗压试验和单轴抗拉试验,得到了石门围岩单轴抗压强度、弹性模量及单轴抗拉强度等力学参数,分析了试件的破坏行为,为后续的理论分析、物理模拟、数值模拟研究提供了参数依据。
(2)结合弹性力学基础知识,将煤层底板岩体视为半无限弹性体,建立了工作面开采底板采动应力计算模型,推导了工作面开采时底板应力增量的计算公式,并结合工作面地质条件,得到了底板不同位置处应力分布规律。
(3)以龙湖煤矿左一片44工作面地质条件为工程背景,建立相似材料物理模型。通过在底板不同深度处布置应力传感器监测开采过程中应力变化,研究了工作面推进过程中底板应力分布特征的变化规律。
(4)利用FLAC3D软件建立数值模型,模拟了工作面跨石门开采过程中煤层底板不同深度应力及位移变化规律,通过对比有无石门情况下工作面推进时应力变化规律,研究了工作面跨石门开采对石门围岩应力及位移的影响。分析了工作面推进不同距离时,煤层底板不同深度处采动应力演化规律,为支护范围的确定提供了理论依据。通过布置测点监测了工作面跨采过程中石门围岩顶底部及两帮变形规律,确定了巷道重点变形区域。
(5)根据理论分析及模拟试验结果确定了工作面跨采过程中石门的支护时机和支护范围,在工作面推进至石门前方150m处开始支护,支护范围为石门与工作面底板距离小于6m的区域。工程实践结果表明,工作面跨采过程中石门两帮及顶底部移近量最大值为278mm和318mm,石门经过简单维修能够保持正常使用,同时减少了工作面搬家次数,回收了两翼工作面石门保护煤柱,提高了煤炭资源回收率,取得了明显经济效益。
(1)通过现场取芯制备力学试验试件,进行了单轴抗压试验和单轴抗拉试验,得到了石门围岩单轴抗压强度、弹性模量及单轴抗拉强度等力学参数,分析了试件的破坏行为,为后续的理论分析、物理模拟、数值模拟研究提供了参数依据。
(2)结合弹性力学基础知识,将煤层底板岩体视为半无限弹性体,建立了工作面开采底板采动应力计算模型,推导了工作面开采时底板应力增量的计算公式,并结合工作面地质条件,得到了底板不同位置处应力分布规律。
(3)以龙湖煤矿左一片44工作面地质条件为工程背景,建立相似材料物理模型。通过在底板不同深度处布置应力传感器监测开采过程中应力变化,研究了工作面推进过程中底板应力分布特征的变化规律。
(4)利用FLAC3D软件建立数值模型,模拟了工作面跨石门开采过程中煤层底板不同深度应力及位移变化规律,通过对比有无石门情况下工作面推进时应力变化规律,研究了工作面跨石门开采对石门围岩应力及位移的影响。分析了工作面推进不同距离时,煤层底板不同深度处采动应力演化规律,为支护范围的确定提供了理论依据。通过布置测点监测了工作面跨采过程中石门围岩顶底部及两帮变形规律,确定了巷道重点变形区域。
(5)根据理论分析及模拟试验结果确定了工作面跨采过程中石门的支护时机和支护范围,在工作面推进至石门前方150m处开始支护,支护范围为石门与工作面底板距离小于6m的区域。工程实践结果表明,工作面跨采过程中石门两帮及顶底部移近量最大值为278mm和318mm,石门经过简单维修能够保持正常使用,同时减少了工作面搬家次数,回收了两翼工作面石门保护煤柱,提高了煤炭资源回收率,取得了明显经济效益。