英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
工作面上覆煤柱附近的采矿应力分布和围岩控制
摘 要 上覆煤柱（OCP）的出现对采场围岩的应力和应变分布有很大影响。本文通过考虑OCP存在与否的数值计算，对应力分布特征进行了分析。此外，这项研究还揭示了采空区的侧面卸压面积和OCP中的应力集中对最终应力分布的共同影响。此外，分析了OCP与工作面之间的垂直距离和OCP的埋深等三个影响因素对基台应力分布的影响规律。建立了将围岩峰值应力与上述影响因素联系起来的功能模型。以上结果的现场应用证明，合理调整支护工作状态，采用液压支柱配合Pi;型金属梁和锚索加固工作面围岩，可以有效地控制2.95m高、5.66m宽巷道的冒落变形。为满足安全操作要求采用上述建议的措施是很合理的。
- 介绍
由于形成时期和环境的不同，通常会出现多个煤层[1]。煤层开采通常采用自上而下的顺序。下部煤层的工作面或巷道通常设置在上覆煤层的采空区或煤柱下方。当工作面形成上覆煤柱（OCP）时，它会成为应力集中，可能将开采压力提高到一定水平，从而严重威胁煤矿的安全生产[2–4]。大同矿区具有悠久的开采历史，目前由大同煤矿集团公司经营，大同煤矿集团是中国第三大国有煤矿企业。矿区的煤层形成于侏罗纪和石炭纪。侏罗系煤层有21个层，主要包括＃7，＃8，＃9，＃11，＃12，＃14和＃15三个煤层，而深层的石炭系煤层主要包括＃2-＃5和＃8煤层。其中，＃3-＃5煤层的埋深和平均厚度分别为400–600和15–20 m，大都正在开采。＃3-＃5煤层一次性开采。受OCP影响，＃3-＃5煤层开采过程中的开采压力较高，给采场的围岩控制带来了挑战[5–7]。全球范围内都已经对OCP在工作面上的影响和控制进行了研究[7–14]。因此，作者将理论分析与现场测试相结合，从而使他们能够揭示受OCP和地层运动影响的工作面中的强大采矿压力[7]。通过数值模拟和理论分析，徐获得了残余煤柱下偏应力的分布规律，并设计了巷道布置的最佳位置[8]。李等人通过土壤力学原理和数值分析研究了OCP中的应力传递规律，产生了由OCP中的应力和较大的悬空面积引起的强压力[9]。朱等人研究了开挖位置对支架破碎的影响，将开采条件分为两类七种，并确定了每种开采条件下的开挖位置[10]。Wang等人报道了柱型采空区煤柱失稳的必要条件，这意味着单边产量与煤柱宽度值之比应在0.33至0.43[11]。夏等人着重于OCP对硬地层破裂以及耦合作用下的地压[12]。
上述与煤柱有关的研究集中在煤柱的不稳定性以及底板上煤柱应力集中的传播规律。但是，关于OCP影响的工作面应力分布特征，影响因素以及相应的控制技术的研究还不够全面。如果存在OCP，则可以评估OCP中的应力集中，通常将其两侧视为卸料区。由于OCP中应力与邻近卸荷区的耦合作用，上覆岩柱分布的分布特征和内部机理十分复杂。同时，随着OCP发生状态和工作面开采位置的，变化，围岩应力将遵循不同的分布规律。因此，应根据分布特征进行进一步深入研究，为如何控制工作面围岩和巷道，确保安全采煤提供指导。本文研究了大同矿区塔山煤矿8109工作面。距离煤层垂直29m处沉积有残留煤柱。通过分析在存在OCP的条件下控制围岩应力分布的影响因素，研究了煤层开采过程中工作面围岩的应力分布，建议采取相应的控制措施，确保煤炭生产的安全和效率应力分布的影响因素
2. 应力分布的影响因素
上覆煤层开采后，裂缝发展发生在底板的特定范围内，破坏了下层煤层及其顶板的完整性，从而在下层煤层开采过程中释放了一定的压力 [15,16]。当煤柱留在上覆煤层中时，就形成了应力集中，从而在一定程度上增加了下煤层中的真实应力，从而导致了围岩的复杂应力分布。如图所示图1，由于OCP与采空区两侧的耦合作用，在工作面的超前范围内依次形成了卸荷区，应力增大区和卸荷区。因此，应力分布受OCP和采空区的影响，随OCP的不同位置和赋存状态而变化。
如图所示图1，当工作面远离OCP时，由于OCP中的应力集中，工作面前面的应力分布表现出初始的上升和下降，然后是第二次上升。随着工作面的推进，覆盖层塌陷的范围进一步扩大，并导致OCP中的应力重新分布。工作面与OCP之间的距离对开采压力和应力分布有一定影响。同样，根据半无限体理论，从OCP传递的工作面中围岩的应力可推导如下：[8,10]:
图1.模型结构图。
其中分别是应力F的水平，垂直和剪切分量。可以发现，从OCP传递的应力与应力F和角度有关。的变化可能导致采场中任何点与OCP之间的垂直和水平距离发生变化。因此，可以得出结论，在地下岩石的任何一点上的应力与OCP的水平距离，垂直距离和应力集中有关。OCP中的应力集中与其埋藏深度密切相关。同时，除煤柱外，工作面与OCP之间的相对位置还可能由于卸荷面积效应而引起应力分布的变化。因此，通过数值模拟，研究了煤层开采过程中工作面与OCP之间不同水平和垂直距离以及不同OCP埋深值的应力分布。
3. 采场应力分布
3.1. 工程背景
以大同矿区塔山煤矿8109工作面为工程背景。＃3-＃5特厚煤层主要在8109工作面开采。3-5号煤层的埋藏深度，厚度和倾角分别为400-600 m，15-20 m和2°-5°。平均厚度为16.22 m，其中包括＃4煤层。岩石柱，岩性和相应的机械性能显示在图2.首先开采＃4煤层，然后开采＃3-＃5煤层。＃4煤层的厚度为3.27m，＃4煤层的8102工作面长度为228m。受火成岩侵入的影响，沿采矿方向的300m距离是不能继续开采的。＃3-＃5和＃4煤层之间的距离为23-35m，平均距离为29.85m。8109工作面的长度为207m，而＃3-＃5煤层的厚度和埋深分别为16.22和450.38m。图3中显示了8109和8102工作面的布置。8102工作面不可恢复的300m长度对应于8109工作面的开采方向上的960-1260m。
3.2. 模型制作
根据8108工作面的地质条件设计了有限元模型，其中将煤和岩体视为满足MohrCoulomb强度标准的弹塑性材料。对于模型的实现，使用了由Rocscience Inc.（加拿大）开发的Phase-2D软件，该软件是功能强大的弹塑性有限元分析软件，可以计算地下洞口周围的应力分布和位移，因此被广泛应用于岩土工程中。模型的长度和高度分别为1100和538 m。模型的横向边界已固定，接收在水平方向上的位移，在水平和垂直方向上的底部边界位移受到限制，而在顶部边界上的位移不受限制。该模型的物理和机械参数显示在图2.在计算过程中，以对应于开挖20 m的台阶记录前进煤体中的应力。
首先，分析了OCP对围岩应力分布的影响。然后，研究了影响因素不同组合的采场应力演化特征：其中两个保持不变，而第三个在三个数值中均达到四个不同的值。（请参阅表格1 和图4)。
图2.岩柱，岩性和力学性能
图3.上覆煤层产生示意图。
图4.数值模拟模型图。
图5.带有/不带有OCP的应力分布
3.3. 数值模拟结果分析
(1) OCP影响应力分布
如图中所示，在是否存在OCP的情况下，获得了工作面提前煤体的应力分布图5。
如图5，在是否存在OCP的情况下，工作面前煤体的应力分布模式有很大不同。在前一种情况下（没有煤炭支柱），桥台应力有增加的趋势，然后逐渐减小和稳定。在距工作面15m处观察到峰值应力为17.3 MPa，而在后一种情况（带有煤炭支柱）下，由于OCP应力集中，基台应力首先增大，然后下降并再次升高。可以看出，两条曲线在距工作面133m处相交。在0-133 m的区域内，“有煤柱”曲线的应力值远低于“无煤柱”曲线的应力值。主要原因是煤柱旁的卸荷区降低了应力集中，从而导致围岩应力显着降低。在133–300m区域，随着工作面向OCP前进，由于OCP中的应力集中，“有煤柱”曲线的应力值高于“无煤柱”曲线的应力值。受OCP影响的峰值应力在距工作面175 m处达到15.2 MPa。
尽管数值模型是二维的，但应力工作面先进煤体中的分布也可以反映巷道应力环境。图5意味着在没有OCP的情况下，与存在OCP的情况相比，工作面前面的峰值应力更高且更接近工作面，并且冲击面积更小。应力在达到峰值后急剧下降，至关重要的是，巷道的集约控制区域应集中在峰值应力附近。当存在OCP时，高级煤体内的应力较低，工作面不太接近OCP。随着工作面向OCP的靠近，基台应力急剧增加并保持较高的值。在OCP中受应力集中影响的区域很宽，而在OCP中影响区域的巷道变形的控制变得更加关键。
(2) 不同影响因素的基台应力分布
如图5所示，当工作面距OCP分别为140、100、60和20m时，可获得煤体的应力分布曲线图6。
如图所示图6当工作面距离OCP 140和100m时，由于OCP在距OCP 90m处的应力集中，先进应力首先增大，然后下降并再次升高。在OCP下，超前应力达到最大值，然后减小并变得稳定。OCP在60m内对工作面产生强烈影响，并导致煤体内应力迅速增加。当工作面距离OCP 140至20 m之间时，OCP下方的稳定应力从14.5 MPa增加到15.6 MPa。可以看出，离OCP越近的工作面，OCP和推进煤体的压力就越大。
如图20所示，在煤层与OCP之间的垂直距离为20、30、40和50 m的情况下，获得了预先煤体的应力分布曲线图7。
图6.不同水平距离的应力分布曲线
图7.不同垂直距离的应力分布曲线。
如图所示图7在OCP和采空区的作用下，由于OCP的应力集中，高级煤体中的应力首先增长，然后下降并再次升高。在距OCP的0-140 m区域内，受上覆采空区卸荷面积的影响，煤层与OCP之间的垂直距离较小，对应于工作面的垂直应力较低。随着煤体逐渐接近OCP（这意味着应力集中），＃3-＃5煤层中的应力会急剧增加。
在OCP的0至60 m范围内，＃3＃5煤层受OCP应力集中的影响最大。当垂直距离为20 m时，峰值应力高达15.9 MPa。当垂直距离为50 m时，同一点的应力达到14.4 MPa。得到了煤体的应力分布曲线
如图所示，OCP埋深为317、417、517和617m图8。可以看出，随着OCP埋深的增加，工作面推进煤体内的应力值也相应增加。当埋深为317 m时，最大应力为11.7 MPa。随着埋深增加到617 m，工作面的应力值达到22.05 MPa。
(3) 预测工作面中的超前应力
超前应力的大小对工作面和巷道的围岩控制具有重要意义。因此，找到一种有效的方法来预测应力值以反映应力环境并为围岩的支护设计提供理论依据至关重要。
首先，本文分析了由不同影响因素组合引起的峰值应力变化。随工作面的开采，先进的峰值应力的变化特性如图所示图9。随着工作面前进到OCP，先进的峰值应力值按对数法则增加。当距OCP的工作面距离为140m时，最大进给应力为15.2 MPa。当工作面从OCP前进到20m时，最大应力值高达17.3 MPa。
类似地，超前峰值应力随工作面与OCP之间距离的变化特性如图所示图10。
可以看出，随着煤层与OCP之间垂直距离的增加，工作面超前范围内的峰值应力呈指数下降。当垂直距离为20m时，工作面的围岩会受到OCP的强烈影响，且峰值应力高达15.9兆帕。当垂直距离为50m时，峰值应力降低到14.9 MPa。 随OCP埋深的变化，超前峰值应力的变化特征示于图11。如图11所示随着OCP埋深的增加，工作面前面的峰值应力线性增加。它从当埋深从317 m变至617 m时为11.7 MPa至22.05 MPa。可以看出，工作面的基台应力受OCP埋深的影响很大。
通过使用IBM（美国）目前拥有的SPSS Statistics软件来拟合工作面前的峰值应力，该功能模型与采矿距离的影响因素有关，阐述了工作面的煤层与OCP之间的垂直距离以及OCP的埋藏深度，可以将其减小为等式(2)
其中Q是峰值应力；L工作面与OCP之间的水平距离；D是工作面和OCP之间的垂直距离；Z为OCP的埋深。拟合方程的相关参数列于表2。拟合系数0.996表示模型的可靠性，并暗示它可以有效预测不同影响因素的任意变化时的峰值应力。该预测方法也适用于围岩应力的回归计算，为计算不同条件下工作面的超前抵接应力和实施围岩控制技术提供了理论依据。
图8.不同OCP埋深的应力分布曲线。
图9.最大垂直应力与水平距离的关系。
图10.最大垂直应力与层间距离的关系。
图11.最大垂直应力与埋深的关系。
4. 工程实践
4.1. 工作面地面压力的特征
为了分析OCP对工作面地面压力特性的影响，对工作面与OCP之 间140m的距离进行了以下计算，如图12所示，可以看出，随着工作面向OCP的推进，工作面中的地面压力增加，而循环两端的阻力曲线的峰值和密度也增加。特别是当工作面距煤柱40m时，工作面反复经受高频且持续时间长的高压循环。同时，煤壁剥落更为突出。巷道变形的统计数据表明，当工作面远离OCP时，可以很容易地控制上覆加载区域对巷道变形的影响，但是随着工作面向OCP的发展，巷道变形控制变得更加困难，鉴于其急剧增加。
图12.采矿期间的支撑阻力曲线。
4.2. 围岩控制研究
(1) 控制方式
强烈的地层变形主要表现为煤壁严重的肋片剥落和巷道围岩的强烈变形。肋骨剥落可以通过适当地调整支撑件的工作状态来控制。有效控制巷道围岩的变形也很关键。 在8109工作面距OCP的100m范围内（125至225m图5），围岩受OCP影响很强烈。添加了五行单列以支持巷道，单列的行距为1.2和1m。使用0.8 m Pi;形金属屋顶杆作为单列的
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238317]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
