断层孤岛煤柱轻放工作面矿压显现规律研究

论文摘要

当前,国内上世纪50、60年代投产的矿井大部分面临资源短缺问题,很多矿井进入回采边角煤柱的残采阶段,这样就面临着开采各种孤岛型的煤柱,采场极易出现应力集中、冲击矿压等危险,给安全开采带来难题。目前该条件的开采方法及围岩控制技术等研究较少。本文通过理论分析、数值模拟、现场试验的方法对孤岛煤柱采场围岩结构特征、“下原位”沿空掘巷技术以及断层孤岛煤柱开采矿压显现规律进行了深入研究。并在潞安矿区石圪节煤矿2123断层孤岛煤柱工作面成功的进行了现场工业性试验。首先,通过分析石圪节煤矿2123孤岛工作面的顶煤、直接顶、老顶的力学性态,以及孤岛工作面回采时由三面孤岛型工作面向四面孤岛型工作面转化围岩空间结构的演化发展过程,建立了轻放孤岛工作面的力学结构模型,作为深入研究孤岛采场的理论基础。首次提出“下原位”沿空掘巷概念,并通过理论分析证明其布置的合理性,理论计算确定了窄煤柱的尺寸和巷道断面及支护参数。然后应用FLAC3D数值模拟技术对巷道的变形破坏、应力分布以及工作面支承压力分布规律进行了研究。最后在2123工作面进行了现场工业性试验,期间对工作面液压支架受力、巷道变形、顶煤运动、锚杆受力进行了全面的观测,较准确的掌握了孤岛煤柱工作面开采采场围岩变形规律、应力分布情况、巷道变形规律等。本研究对孤岛煤柱具有普遍的指导作用,为在类似条件下推广该技术提供了借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 孤岛放顶煤工作面矿山压力理论的研究现状
• 1.2.2 国内外矿压理论
• 1.2.3 放顶煤工作面矿山压力理论的国内外现状
• 1.3 研究内容及方法
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 课题创新点
• 第2章 断层孤岛煤柱工作面围岩结构特征
• 2.1 直接顶及顶煤的力学性质
• 2.1.1 直接顶的力学性态分析
• 2.1.2 直接顶的垮落
• 2.1.3 顶煤的力学特性
• 2.1.4 顶煤的力学性态转化
• 2.2 老顶的力学性质
• 2.2.1 老顶的初次来压
• 2.2.2 老顶断裂后的砌体梁结构及其稳定性分析
• 2.3 石圪节煤矿概况
• 2.3.1 矿井概况
• 2.3.2 2123断层孤岛煤柱工作面概况
• 2.4 孤岛煤柱工作面形成演化过程
• 2.4.1 2123孤岛煤柱空间结构形式
• 2.4.2 回采过程中孤岛煤柱覆岩运动形式
• 2.5 孤岛煤柱围岩结构力学模型及分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 “下原位”沿空掘巷技术
• 3.1 “下原位”沿空掘巷概念及布置形式
• 3.2 沿空掘巷弧形三角块结构分析
• 3.3 沿空掘巷窄煤柱宽度计算
• 3.3.1 确定窄煤柱合理宽度的原则
• 3.3.2 煤柱屈服区宽度理论解
• 3.4 “下原位”沿空掘巷支护设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 断层孤岛煤柱开采数值模拟分析
• 4.1 FLAC3D软件介绍
• 4.1.1 FLAC3D基本介绍
• 4.1.2 FLAC3D基本方程的有限差分形式
• 4.1.3 FLAC3D本构模型基本形式
• 4.1.4 INTERFACE单元受力原理
• 4.2 数值模拟模型的建立
• 4.3 数值模拟结果与分析
• 4.3.1 不同开挖步骤工作面垂直应力分布
• 4.3.2 不同开挖步骤工作面水平应力分布
• 4.3.3 沿空巷道围岩变形及应力分布
• 4.3.4 沿空巷道围岩破坏及锚杆受力
• 4.3.5 工作面超前支承压力分布
• 4.4 本章小结
• 第5章 2123断层孤岛煤柱轻放面矿压现场实测与分析
• 5.1 现场矿山压力观测内容和测站布置
• 5.1.1 现场矿山压力观测内容
• 5.1.2 井下测站布置
• 5.2 工作面支架受力观测与分析
• 5.2.1 工作面支架观测基础数据
• 5.2.2 工作面矿压显现规律
• 5.2.3 工作面支架适应性分析
• 5.3 工作面两沿空掘巷矿压规律
• 5.3.1 表面收敛观测与分析
• 5.3.2 顶煤运动观测与分析
• 5.3.3 锚杆受力分析
• 5.4 现场工业性试验效果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果