浅埋煤层旺采工作面厚层坚硬顶板控制研究

论文摘要

旺采作为一种高产高效采煤方法,在神东矿区得到了广泛的应用,而神东矿区浅埋厚层坚硬顶板地质条件和旺采开采工艺,使得旺采工作面采空区项板极易形成大面积悬顶,发生大面积垮落,造成人员伤亡和设备损坏。针对此问题,本文综合运用现场实测、数值模拟、理论分析等方法,分析研究了浅埋煤层旺采工作面厚层坚硬顶板控制问题。通过现场实测,分析得出了浅埋旺采工作面矿压显现和顶板运动规律,在煤柱宽度0.5m的新开采方案条件下,采空区内刀间不规则煤柱几乎全部破坏,但顶板仍未垮落,形成大面积悬项。同时,数值模拟研究表明,回采后的不规则煤柱全部发生塑性剪切破坏,而直接顶的破坏以拉破坏为主,局部表现为剪切破坏,护巷煤柱除边缘部分塑性破坏外,始终保持弹性稳定状态。运用弹性力学理论,结合实测规律和数值模拟分析结果,做出合理假设,视旺采工作面采空区顶板为弹性薄板,顶板垮落前的运动为小挠度的弯曲变形,得出了浅埋旺采工作面厚层坚硬顶板极限悬顶面积公式,然后研究分析了不同煤柱宽度、不同工作面长度条件下极限垮落步距和极限悬顶面积的变化规律。针对采空区顶板达到极限悬顶面积后的大面悬顶问题,提出了顶板边界爆破强制放顶与防冲密闭相配合的顶板控制方案,并分析了方案存在的两个问题:厚层坚硬顶板从裂纹产生到垮落的时间差、厚层坚硬顶板大面积垮落形成的冲击气浪与防冲密闭强度。运用断裂力学理论对顶板自行垮落的情况进行了研究,分析得出了采空区顶板达到极限悬顶面积后,顶板从破坏到垮落的时间差公式。运用流体力学理论,对厚层坚硬顶板大面积垮落形成的冲击气浪进行研究,分析了冲击气浪形成过程的三个阶段;运用气体动力学理论,视采空区气体流动为无粘性可压缩状态下绝热流动,对采空区大面积顶板瞬时一次性冒落进行分析计算,得出了作用在防冲密闭上的压强公式,通过分析作用在密闭上压强的影响因素,结合旺采面现场条件,最后给出了适用于浅埋旺采工作面的合理的防冲密闭结构形式与参数。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容与技术路线
• 2 浅埋旺采工作面矿压显现和顶板运动规律
• 2.1 旺采法简介
• 2.2 旺采面矿压显现和顶板运动一般规律
• 2.3 大柳塔矿12406-3旺采面矿压显现和顶板运动规律
• 2.4 本章小结
• 3 浅埋煤层旺采工作面数值模拟研究
• 3.1 模拟软件选取
• 3.2 大柳塔矿旺采工作面矿压显现和顶板运动规律数值模拟分析
• 3.3 不同条件下极限悬顶面积数值模拟规律分析
• 3.4 本章小结
• 4 浅埋旺采工作面厚层坚硬顶板极限悬顶面积理论分析
• 4.1 旺采工作面厚层坚硬顶板极限悬顶面积主要影响因素
• 4.2 旺采工作面厚层坚硬顶板极限悬顶面积力学模型和力学分析
• 4.3 旺采工作面厚层坚硬顶板极限悬顶面积力学判据
• 4.4 大柳塔矿旺采工作面厚层坚硬顶板极限悬顶面积理论分析
• 4.5 本章小结
• 5 浅埋旺采工作面厚层坚硬顶板大面积冒落控制
• 5.1 浅埋旺采工作面厚层坚硬顶板控制方案
• 5.2 顶板裂纹产生至大面积冒落时间差研究
• 5.3 浅埋旺采工作面厚层坚硬顶板大面积冒落的防冲密闭研究
• 5.4 本章小结
• 6 主要结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间主要成果