急倾斜俯伪斜下保护层保护范围的研究

论文摘要

随着矿井开采深度的增加,煤与瓦斯突出矿井的增多,开采保护层是在开采突出煤层群时一项重要局部防突安全措施。针对急倾斜俯伪斜下保护层开采的保护范围划定存在问题,以东林煤矿3-1区急倾斜俯伪斜下保护层开采为研究背景,通过理论分析、现场研究和数值模拟三者相结合,研究了急倾斜俯伪斜下保护层开采保护范围划定方法。1)分析了东林煤矿3-1区选择下保护层开采的可行性。2)确定了东林煤矿急倾斜俯伪斜下保护层开采上覆煤岩活动变形形态,其表现为上覆围岩移动形成“竖三带”和“横三带”;同时在开切眼和工作面煤壁附近出现压力集中,在采空区对应的中部则出现压力释放。3)通过对东林煤矿急倾斜俯伪斜下保护层K6煤层开采后被保护层K4煤层瓦斯压力和瓦斯流量现场研究,得出了急倾斜俯伪斜下保护层开采导致被保护层瓦斯压力呈现“四带”分布以及瓦斯流量呈现“M”状态分布;确定了下保护层倾向下山方向的卸压保护角为86°和沿走向的卸压保护角范围为45°～72.47°。4)通过东林煤矿急倾斜俯伪斜下保护层开采的三维数值模拟,确定了随着下保护层工作面的推进,被保护层应力和煤层变形规律;根据保护层开采后的应力卸压保护准则和煤层变形保护准则,确定了急倾斜俯伪斜下保护层K6开采后被保护层K4沿倾向上、下保护卸压角分别为82°和84.9°;而沿走向卸压角呈不规则分布,其范围为48.9°～73.6°,采空区对应的中部走向卸压角最大为73.6°,下部次之为54°,上部最小为48.9°。5)通过数值模拟结果和现场研究结果对比分析,两种方法所得急倾斜俯伪斜下保护层K6开采后被保护层K4沿倾向下保护卸压角的相对误差为1.3%,沿走向卸压角相对误差为1.6%7.9%。说明用数值分析方法模拟开采急倾斜俯伪斜下保护层具有可靠性。东林煤矿下保护层保护范围的划定对下保护层K6开采后被保护层K4工作面的布置具有很强的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 煤与瓦斯突出研究现状
• 1.2.1 煤与瓦斯突出机理研究
• 1.2.2 煤与瓦斯突出特征
• 1.2.3 煤与瓦斯突出过程及其特点
• 1.2.4 煤与瓦斯突出一般规律
• 1.3 开采保护层防突研究现状
• 1.3.1 国内外开采保护层防突机理研究现状
• 1.3.2 国内外保护层开采应用现状
• 1.4 论文研究的主要内容及技术路线
• 2 下保护层开采采场顶板活动及瓦斯移动规律
• 2.1 顶板岩层的活动规律
• 2.1.1 有关覆岩活动规律的假说
• 2.1.2 垂直于顶板岩层方向的运动
• 2.1.3 采场走向顶板岩层的运动
• 2.2 岩层控制的关键层理论
• 2.2.1 关键层的判定
• 2.2.2 关键层运动对岩层移动得影响
• 2.3 顶板岩层的应力分布规律
• 2.4 被保护层瓦斯运动规律
• 2.4.1 瓦斯扩散运动
• 2.4.2 瓦斯渗流运动
• 2.4.3 下保护层开采引起瓦斯的流动
• 2.5 本章小结
• 3 急倾斜俯伪斜下保护层保护范围现场考察及分析
• 3.1 矿井地质、开采状况
• 3.2 考察实验区概况
• 3.3 选择下保护层的可行性分析
• 3.4 急倾斜俯伪斜下保护层保护范围的现场考察试验方案
• 3.4.1 现场测试考察内容
• 3.4.2 考察技术方案
• 3.5 被保护煤层瓦斯压力现场测定与分析
• 3.5.1 煤层瓦斯压力测定方法
• 3.5.2 煤层瓦斯压力变化规律及影响因素分析
• 3.5.3 现场测定的煤层瓦斯压力分析
• 3.6 被保护煤层钻孔瓦斯流量测定与分析
• 3.6.1 测定瓦斯流量的方法
• 3.6.2 被保护煤层钻孔瓦斯流量变化规律及影响因素分析
• 3.6.3 现场测定的钻孔瓦斯流量分析
• 3.7 煤层透气性系数计算分析
• 3.7.1 煤层透气性系数计算
• 3.7.2 煤层透气性系数分析
• 3.8 保护范围划定
• 3.8.1 被保护层残余瓦斯压力
• 3.8.2 急倾斜俯伪斜上保护层倾向下部边界卸压角
• 3.8.3 保护层沿走向卸压角
• 3.8.4 保护层工作面的安全超前距离
• 3.8.5 保护层工作面的安全超前时间
• 3.9 保护范围计算
• 3.9.1 考察区域走向保护边界计算
• 3.9.2 考察区域的倾向下部保护边界计算
• 3.10 本章小结
• 4 急倾斜俯伪斜下保护层保护范围数值模拟分析
• 4.1 数值模拟概述
• 4.1.1 数值模拟软件在采矿业的应用
• 4.1.2 数值模拟软件ANSYS
• 4.2 下保护层顶底板煤岩物理力学特性参数测定
• 4.2.1 岩样采取
• 4.2.2 岩石的力学参数试验概述
• 4.2.3 岩石单轴抗压试验
• 4.2.4 岩石剪切试验
• 4.3 数值模型的建立
• 4.3.1 模型边界的确定
• 4.3.2 模型边界条件及初始应力场的确定
• 4.3.3 岩体力学特性及其参数确定
• 4.3.4 模型有限元网格划分和计算
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 模型倾向应力变化规律分析
• 4.4.2 被保护层走向应力变化规律分析
• 4.4.3 被保护层煤层倾向变形规律分析
• 4.4.4 被保护层煤层走向变形规律分析
• 4.5 下保护层保护范围的划定
• 4.5.1 下保护层沿倾向的保护范围划定
• 4.5.2 下保护层沿走向的保护范围划定
• 4.6 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录