顶板瓦斯高抽巷采动变形机理及优化布置研究

论文摘要

顶板瓦斯高抽巷是特殊的顶板巷道,在我国阳泉矿区已得到广泛应用,它是解决高瓦斯煤层群条件下综放面邻近层卸压瓦斯抽采的有效途径。阳泉矿区综采面主采15号煤层,邻近层瓦斯涌出量占综放面瓦斯涌出量的90%以上,工作面瓦斯涌出是以邻近层瓦斯为主,开采层瓦斯涌出所占比重较小。因此,顶板瓦斯高抽巷的抽采状况直接关系到矿井的安全高效生产。目前,顶板瓦斯高抽巷的设计和支护主要依靠现场经验,一旦投入使用后工作人员便无法进入。由于下方工作面的采动影响,处于采动裂隙带内的高抽巷必然要发生变形破坏,高抽巷的变形破坏情况直接影响到邻近层瓦斯抽采,制约了高瓦斯矿井的安全高效生产。目前国内学者对高抽巷的采动变形过程缺乏系统研究,对高抽巷的最佳布设位置缺乏深入研究,这制约了高抽巷的使用效果。本文通过数值模拟与理论分析,得出以下结论:1)底鼓是顶板瓦斯高抽巷典型的破坏特征。高抽巷位于采空区后方80m时,断面严重收缩,高抽巷位于采空区后方140m时,断面基本闭合。2)高抽巷底鼓过程分三个阶段:(a)缓慢底鼓阶段。高抽巷位于采空区40m前,底鼓量较小;(b)剧烈底鼓阶段。高抽巷位于采空区40~80m后,高抽巷底鼓量显著增加;(c)底鼓闭合阶段。高抽巷位于采空区80m后,底鼓缓慢增加直至巷道基本闭合。3)采动过程中,高抽巷两帮和底板的水平应力显著增加,而顶板水平应力明显降低。高抽巷变形破坏的力学分析表明,采动过程中高抽巷两帮和底板的水平应力持续增加,导致高抽巷底板离层,强度降低,从而发生底鼓破坏。4)在距煤层60m、70m、85m层位上,高抽巷最佳布设位置分别距回风巷40~60m、40~70m、60~90m。本研究成果将对高瓦斯矿区顶板高抽巷的合理布置提供科学依据,实现矿井的煤与瓦斯安全高效共采。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出与研究意义（Introduction of the Subject and Research Meaning）
• 1.2 国内外研究现状（Research States at Home and Abroad）
• 1.2.1 顶板巷道变形破坏的研究现状（Research States of Roof Roadway）
• 1.2.2 顶板瓦斯高抽巷的研究现状（Research States of High-Level Entry）
• 1.3 研究内容（Research Contents）
• 1.4 研究方法与技术路线（Research Method and Routine）
• 2 顶板瓦斯高抽巷的采动变形特征
• 2.1 K8206 工作面的生产地质条件（General Conditions of K8206 Working Face）
• 2.2 数值模拟试验模型（The Model of Numerical Simulation）
• 2.2.1 UDEC 数值模拟软件简介（Introduction of UDEC Software）
• 2.2.2 高抽巷破坏过程的简化原理（Analysis Simplification of Numerical Simulation Model）
• 2.2.3 数值模拟模型（Numerical Simulation Model）
• 2.2.4 高抽巷的支护与开挖（Support and Excavation）
• 2.3 瓦斯高抽巷变形破坏分析（The Deformation Analysis of High Level Entry for Gas Extraction）
• 2.3.1 顶底板变形特征分析（Deformation Analysis of Floor and Roof）
• 2.3.2 两帮变形特征分析（Deformation Analysis of Both Sides）
• 2.3.3 高抽巷变形破坏情况（Deformation Analysis of High Level Entry）
• 2.3.4 两帮水平应力分析（Horizontal Stress Analysis of Both Sides）
• 2.3.5 顶底板水平应力分布（The Horizontal Stress Distribution of Roof and Floor）
• 2.4 小结（Summary）
• 3 顶板瓦斯高抽巷底鼓的力学机理分析
• 3.1 高抽巷底鼓的机理（Mechanical Mechanism of Floor Heave）
• 3.1.1 巷道底鼓的类型与机理（Floor Heaving Mechanisms at Roadway）
• 3.1.2 高抽巷底鼓的机理（Mechanical Mechanism of Floor Heave）
• 3.2 高抽巷底鼓的力学分析（Mechanical Analysis of Floor Heave）
• 3.3 瓦斯高抽巷底鼓防治技术（Prevention Technology Against Heaving）
• 3.3.1 用锚索加固底板（Support with Anchor Cable）
• 3.3.2 锚注支护（Support with Cable and Grouting）
• 3.3.3 选择合适的层位（Arranging Roadway in the Hard Layer）
• 3.4 小结（Summary）
• 4 顶板瓦斯高抽巷优化布置研究
• 4.1 采动覆岩移动理论基础（Strata Movement Theory in Mining）
• 4.2 瓦斯高抽巷布设方案（Location Scheme of High Level Entry）
• 4.2.1 覆岩裂隙发育规律（Fracture Development of Overlying Strata）
• 4.2.2 瓦斯高抽巷布设方案（Layout Scheme of High Level Entry）
• 4.3 方案分析（Analysis on Schemes）
• 4.3.1 60m 层位（The Scheme at Height of 60m）
• 4.3.2 70m 层位（The Scheme at Height of 70m）
• 4.3.3 85m 层位（The Scheme at Height of 85m）
• 4.4 本章小结（Summary）
• 5 瓦斯高抽巷抽采性能优化研究
• 5.1 K8108 综放面瓦斯治理分析（Gas Extraction Analysis of K8108 Top Coal Face）
• 5.1.1 工作面开采技术条件（General Conditions of K8206 Working Face）
• 5.1.2 瓦斯涌出特征与治理分析（Gas Emission and Extraction）
• 5.1.3 高抽巷抽采性能分析（Extraction Analysis of High-Level Entry）
• 5.2 8204 和8202 综放面高抽巷布设与抽采参数优化（The Optimization of Arrangement and Extraction Parameters ）
• 5.2.1 工作面开采技术条件（General Conditions of K8206 Working Face）
• 5.2.2 瓦斯高抽巷距回风巷的水平距离（The Distance of High-Level Entry to Return Airway）
• 5.2.3 走向瓦斯高抽巷的长度与断面（The Length and Section of High-Level Entry）
• 5.3 本章小结（Summary）
• 6 主要结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集