榆神矿区榆树湾煤矿覆岩破坏规律与支护阻力研究

论文摘要

榆神矿区、神府矿区近二十年开采实践和理论研究表明,地表厚风积沙松散层、薄基岩煤层开采矿山压力显现强烈,上覆岩层将会沿工作面发生切落,地表出现台阶下沉,需要特大阻力液压支架平衡其上覆岩层和松散层载荷,才能防止大的顶板灾变发生。对厚粘土层、中厚基岩煤层这种特殊条件下开采矿山压力显现规律研究较少。本文采用室内相似模拟实验、理论分析和数值模拟等方法,对榆神矿区厚粘土层、中厚基岩煤层综合机械化开采覆岩破坏规律及合理支架阻力进行了深入研究。从厚粘土层的地质特征和物理力学特征入手,结合榆树湾矿综采首采面的地质条件,进行了5m,3m两架大型相似模拟实验,有效地模拟工作面上覆岩层破坏变化情况,总结了中厚基岩、厚粘土层下开采顶板活动规律,以及覆岩出现贯通裂隙时矿压显现及覆岩移动规律。模拟了工作面支架的“支架-围岩”相互关系,得到了支架合理的工作阻力。通过对支护阻力、覆岩破断规律、厚粘土土层对老顶的影响等分析,揭示了在此特殊的赋存条件下,上覆岩层不会出现沿工作面整体切落的剧烈矿压显现,而是出现“三带”分布。同时通过“关键层理论”分析上覆岩层结构,从理论上解释了矿压显现的原理。认为小周期来压是由单个关键层破断引起,而大周期来压则是多个关键层共同作用的结果。通过研究破断岩柱中关键岩块的平衡条件,建立了关键岩块结构力学模型,得到了厚粘土层中厚岩层覆盖煤层综采面支架合理支护阻力的理论计算值。应用RFPA2D程序对榆树湾矿首采面开采进行了数值模拟分析,表明开采后上覆岩层出现“三带”分布。随着工作面推进,由于粘土层有一定的粘聚力,上位岩层离层不断发育到土层后,断裂裂隙才很快发育到土层,并在距工作面40～60m处地表土层出现了不同长度的裂缝,裂缝未与土层裂隙带贯通,在倾向有30m左右的隔离带,在走向则有18m左右。工作面所表现的矿山压力显现并不像陕北神府矿区厚风积沙层下开采剧烈,在一定的推进距离内,上覆岩层不会出现自煤壁向地表的基岩全厚切落,从而验证了相似模拟实验的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究的现状及存在的问题
• 1.3.1 矿山压力理论研究现状
• 1.3.2 国内外浅埋煤层研究现状
• 1.3.3 国内外工作面支架工作阻力的确定研究现状
• 1.4 研究的内容和方法
• 1.4.1 研究的理论基础
• 1.4.2 研究的主要内容和方法
• 2 榆神矿区地质特征及围岩力学特征
• 2.1 矿区地形地质特征
• 2.1.1 矿区基本概况
• 2.1.2 矿区粘土层地质特征
• 2.2 矿区围岩物理力学特征
• 2.2.1 粘土层的物理力学特征
• 2.2.2 岩样的物理力学特征
• 2.3 本章小结
• 3 榆树湾煤矿首采面覆岩破坏与支护阻力相似模拟实验
• 3.1 相似模拟实验研究
• 3.1.1 实验目的
• 3.1.2 实验对象
• 3.1.3 模拟实验设计
• 3.1.4 模拟实验研究方法
• 3.2 5m 模拟实验结果及分析
• 3.2.1 工作面来压判据
• 3.2.2 顶板破断及矿压显现规律
• 3.2.3 工作面支护阻力分析
• 3.2.4 上覆岩层下沉规律
• 3.3 3m 模拟实验结果及分析
• 3.3.1 实验过程及分析
• 3.3.2 上覆岩层及地表下沉规律
• 3.4 本章小结
• 4 榆树湾煤矿上覆岩层失稳与合理支护阻力理论分析
• 4.1 榆树湾煤矿上覆岩层失稳理论分析
• 4.1.1 关键层特征
• 4.1.2 关键层的刚度判别条件
• 4.1.3 关键层的强度判别条件
• 4.1.4 关键层理论在榆树湾煤矿的应用
• 4.1.5 榆树湾煤矿关键层对采场矿压的影响
• 4.2 榆树湾煤矿合理支护阻力理论分析
• 4.2.1 关键岩块稳定性分析
• 4.2.2 关键块上载荷的确定
• 4.2.3 工作面支架理论工作阻力
• 4.3 本章小结
• 5 榆树湾煤矿上覆岩层破坏数值模拟分析
• 2D 数值模拟软件介绍及特点'>5.1 RFPA^2D数值模拟软件介绍及特点
• 5.2 数值模拟方案
• 5.3 模拟结果及分析
• 5.3.1 沿倾向数值模拟结果分析
• 5.3.2 沿走向数值模拟结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录