大倾角煤层采空区碎石柱承载特性与沿空留巷稳定机理

摘要

为了揭示大倾角煤层采空区碎石柱承载特性及其对留巷围岩稳定性的影响机制,以花山矿24152大倾角采煤工作面沿空留巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等综合研究方法,掌握了大倾角煤层采空区碎石柱形成规律与承载特性,揭示了碎石柱形成对大倾角煤层沿空留巷稳定性的影响机制.结果表明:采空区碎石堆积形态主要受煤层倾角、煤层厚度、直接顶厚度等因素影响,煤层倾角大于自然安息角是碎石柱形成的前提,采空区碎石柱长度随着煤层倾角的增加而快速增长,随煤层厚度增加而线性减小,而随着直接顶厚度增加,碎石柱长度呈先增长后减小的趋势.碎石柱密实程度的变化特征与碎石柱形成长度变化特征相对一致,且决定了碎石柱的承载特性与留巷周边应力环境状态,在煤层倾角为40°、煤层厚度为3.7 m、直接顶厚度为3 m的条件下,对留巷围岩稳定性起主导作用的采空区一侧顶板区域垂直应力与水平应力差值不超过1 MPa.依据大倾角煤层采空区碎石柱承载特性以及留巷稳定机理,提出了大倾角煤层沿空留巷围岩稳定的技术关键,巷内支架应具有整体强度高、能适应围岩大变形、采空区侧抗冲击等基本特性.据此,研发了大倾角煤层沿空留巷刚柔一体化护巷支架,该支架由单侧支撑式结构与高阻可伸缩横梁组成,高阻可伸缩横梁与单侧支撑式结构铰接,可在留巷围岩大变形过程中,持续保持整体结构稳定,以协同控制留巷围岩大变形.现场工程实践结果表明,碎石柱形成过程及几何形态与理论和数值分析结果高度一致,刚柔一体化护巷支架工作稳定,剧烈采动影响期间顶板最大下沉量在支护体允许的范围内,留巷围岩控制效果良好.

关键词

大倾角煤层 / 沿空留巷 / 碎石柱 / 护巷支架