深部大倾角强冲击厚煤层开采解放层卸压效果研究

论文摘要

近年来新汶矿业集团华丰煤矿成为我国冲击地压危害最严重的矿井之一。该矿采深已超过1000m，属于坚硬顶板、坚硬煤层、坚硬底板的“三硬”强冲击煤层。浅部开采时，通过实施放顶煤开采和开采下解放层，有效减缓了冲击地压；但当采深超过900m后，冲击地压的危害又日趋严重。本文以华丰煤矿为背景，采用相似材料模拟试验和数值模拟分析的方法，研究同时开采上、下解放层的卸压效果，以确定深部水平能否继续开采。通过分析比较物理模拟、数值模拟和微地震监测结果，提出“三减一增”卸压理论，即顶底板“结构性”保护原理、矸石“让压性”保护原理、随采场推进的“移动性”保护原理和侧向应力恢复原理；依据顶底板“结构性”保护原理，提出了将煤4下平巷布置在煤6下平巷上方的“结构性”卸压区内的设计思想，并通过监测解放层开采过程中及稳定后被解放层应力变化情况，分析应力变化规律，计算下解放层下部合理卸压角，确定了被解放层下平巷的合理位置；根据矸石“让压性”保护原理，建立了单独开采下解放层和上、下解放层同采时发生冲击地压的临界深度的计算模型；物理模拟和数值模拟均证明开采下解放层后，被解放层上平巷附近区域仍是高应力集中区，易发生冲击地压，而开采上解放层后，该区应力明显减小，说明上解放层卸压效果明显，上解放层开采是可行的、有效的；通过比较两次开采上解放层模拟试验的卸压程度，确定了上解放层工作面的合理位置；根据随采场推进的“移动性”保护原理，提出了深部解放层和被解放层之间存在走向应力恢复的极限距离的观点；验证了井下发生大能量冲击地压之前，地表沉降出现“反弹”的异常现象。开采解放层卸压效果的研究结论已有效地应用于工程实践，为深部工作面开采设计提供了理论指导，对防治冲击地压具有重要的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 果题的提出
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 冲击地压发生机理研究现状
• 1.2.2 开采解放层防治冲击地压研究现状
• 1.3 本文的研究内容和研究方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 技术路线
• 2 华丰煤矿深部大倾角强冲击厚煤层开采概况
• 2.1 华丰矿井简述
• 2.2 华丰煤矿冲击地压发生及防治概况
• 2.2.1 冲击地压发生概况
• 2.2.2 冲击地压防治基本情况
• 2.3 华丰煤矿深部大倾角强冲击厚煤层开采概况
• 3 开采解放层卸压效果相似材料模拟试验研究
• 3.1 试验目的和试验原理
• 3.1.1 试验目的
• 3.1.2 试验原理
• 3.2 相似模拟试验模型设计与制作
• 3.2.1 试验主要设备和监测系统
• 3.2.2 模型设计
• 3.2.3 模型铺设步骤
• 3.3 测点布置和开采方案
• 3.3.1 测点布置
• 3.3.2 开采方案
• 3.4 开采过程中的卸压效果
• 3.4.1 开采煤6下解放层下区段的卸压效果
• 3.4.2 开采煤4、煤6上区段的卸压效果
• 3.4.3 开采煤1上解放层上部的卸压效果
• 3.4.4 开采煤1上解放层下部的卸压效果
• 3.5 本章小结
• 4 开采解放层卸压效果数值模拟研究
• 4.1 数值计算方法概况
• 4.1.1 计算方法简介
• 4.1.2 基本力学方程
• 4.1.3 三维有限差分方程
• 4.1.4 显式有限差分法
• 3D简介'>4.1.5 计算程序FLAC^3D简介
• 4.2 计算模型与参数选取
• 4.2.1 模型建立
• 4.2.2 模型参数选取
• 4.3 开采方案
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 首采面开采过程中应力分布规律
• 4.4.2 开采下解放层卸压效果分析
• 4.4.3 上、下解放层同采卸压效果研究
• 4.5 本章小结
• 5 开采解放层卸压效果理论研究
• 5.1 顶底板“结构性”保护原理--永久卸压原理
• 5.2 矸石“让压性”保护原理--部分卸压原理
• 5.2.1 下解放层“让压性”保护原理
• 5.2.2 上、下解放层“让压性”保护原理
• 5.3 随采场推进的“移动性”保护原理--暂时卸压原理
• 5.4 侧向应力恢复原理--增压原理
• 5.5 本章小结
• 6 开采解放层卸压效果研究的工程应用
• 6.1 验证了1410工作面开采下解放层后仍发生冲击地压
• 6.2 深部强冲击工作面开采设计的建议
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢