急斜煤层大段高安全开采围岩控制基础研究

论文摘要

新疆乌鲁木齐矿区蕴藏着丰富的急斜煤层开采资源。水平分段放顶煤作为急斜煤层开采的一种科学方法已成为矿区目前唯一采用的开采方式,而以往的开采实践与理论研究成果均表明增加工作面分段高度是提高矿区煤炭产量的主要手段。“十一五”期间,按照国家煤矿安全监察局对乌鲁木齐矿区急斜放顶煤工作面采放比不超过1:8的要求,矿区各生产矿井的工作面分段高度将逐步提高至30m。如此大段高开采条件下支架能否保持良好的运转特性、围岩是否存在大范围垮落的危险性、工作面采出率如何保证是论文研究的三个主要问题,而其核心是在对工作面围岩运移特征深入了解基础上,研究不同倾角急斜煤层合理段高的取值范围以及进一步增强围岩可控性的方式,即急斜煤层大段高开采条件下的围岩控制理论研究。本论文正是在对比、分析及总结急斜煤层以往相关研究成果基础上,应用现场实测、理论分析、相似材料及数值模拟试验的手段,专门针对大段高工作面开采的以上问题进行了深入研究。基于急斜煤层赋存条件复杂的实际情况,论文首先在现场实测中建立了急斜煤层分段放顶煤工作面的立体监测模式,实现了对工作面矿压显现及围岩运移变化规律的多方位监测。实测表明,支架在走向上分区域承受了不同高度范围内顶煤体完全破坏后的压力,基本顶岩层的垮落区域位于煤壁后方采空区内。工作面沿走向具有明显的周期性矿压显现,但支架的工作阻力并没有随着段高与采深的增加而大幅度增加,说明支架会受到其上方(煤体及采空场)沿走向临时结构的保护作用。其次,在放顶煤试验中顶煤体冒落拱形式的破坏及低位拱失稳后被上位拱所取代的方式说明支架还会受到顶煤体中沿倾向结构的保护作用。因此,保证了大段高开采条件下支架良好的运转特性。进一步的典型倾角急斜煤层相似模拟对比试验表明,顶板岩层中存在“卸载拱”结构。该结构的存在,使工作面开采过程中裸露的顶板岩层仅承受拱内岩层的作用。倾角较大的急斜煤层,开采过程中由于受到“阶梯”形收口处及沿槽形采空区域下移的垮落体对顶板岩层的支承作用,顶板岩层的稳定性大幅提高。理论分析中借助岩层板破断的小挠度理论,推导出了急斜煤层分段放顶煤开采条件下不同倾角的合理段高取值范围,从理论上论证了分段放顶煤工作面在段高所在范围内避免围岩大范围垮落的基本条件是具备的,工作面采出率也可以得到保证。倾角55°以上的急斜煤层,进行30m的大段高开采是可行的。在进一步提高围岩可控性研究方面,填装了总重量达18.6t,且在国内外急斜煤层研究中迄今为止所填装的最大规模的大型组合堆体立体模拟试验。试验揭示了急斜煤层的沉陷特征。即开采后地表为多次反复沉陷,塌陷坑内垮落体由底板侧朝顶板侧呈台阶式下降分布,充填时应由底板侧沿台阶式下降体开始多次充填。而对于充填体作用机理的研究则表明:急斜煤层开采后,如果围岩的自然充填体与人工充填体可以较好地沿煤体开采后形成的槽形采空区域下移,并在此过程中对顶板起到结构支撑作用,则有利于形成工作面上方暂时稳定的结构,控制顶底板的运动,防止工作面大范围悬空后顶板大范围垮落可能形成的灾害。总体上,论文在对急斜煤层大段高工作面开采围岩破坏特征深入研究基础上,提出了选取工作面合理段高取值范围及充填采空区域的围岩控制方式,并在煤矿生产实践中得到了验证。此项研究对于乌鲁木齐矿区急斜煤层大段高工作面安全高效开采有积极的指导意义,对于赋存类似煤层的国内外其它矿区也有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 大段高的定义及大段高开采技术的发展过程
• 1.1.1 大段高的定义
• 1.1.2 急斜煤层与段高取值相关的其它开采方法
• 1.1.3 大段高开采技术的发展过程
• 1.2 发展大段高开采技术的重要性
• 1.3 大段高开采的主要问题
• 1.4 急斜煤层围岩控制理论国内外研究现状
• 1.5 研究的主要内容及技术路线
• 2 急斜煤层大段高工作面综放开采矿压显现规律研究
• 2.1 乌鲁木齐矿区概况
• 2.1.1 矿区地层
• 2.1.2 地质构造
• 2.1.3 煤层概况
• 2.2 “普通段高”开采矿压显现基本规律
• 2.3 “大段高”开采矿压显现基本规律
• 2.3.1 碱沟煤矿+586m 水平工作面矿压显现基本特征
• 2.3.2 碱沟煤矿+564m 水平工作面矿压显现基本特征
• 2.3.3 大段高工作面矿压显现规律
• 3 急斜煤层大段高开采相似材料模拟实验研究
• 3.1 相似理论基本原理
• 3.2 实验基本条件
• 3.3 力学参数确定过程
• 3.4 倾角45°煤层开采试验研究
• 3.4.1 模型填装设计
• 3.4.2 试验现象及分析
• 3.4.3 试验结论
• 3.5 倾角65°煤层开采试验研究
• 3.5.1 模型填装设计
• 3.5.2 围岩变形破坏监测设计
• 3.5.3 实验过程及现象
• 3.5.4 实验结论
• 3.6 倾角84°煤层开采试验研究
• 3.6.1 模型填装
• 3.6.2 试验现象及分析
• 3.6.3 试验结论
• 3.7 顶煤体变化规律及三角煤可控性研究
• 3.7.1 顶煤破碎块度分析
• 3.7.2 模拟设计
• 3.7.3 试验现象
• 3.7.4 试验结论
• 3.8 本章小结
• 4 大段高开采合理分段高度确定
• 4.1 开采初期顶板破断研究
• 4.1.1 法向载荷91 作用下拉应力分析
• 4.1.2 切向载荷q 2 作用下拉应力分析
• 4.1.3 法向载荷91 与切向载荷q 2 共同作用下合应力分析
• 4.1.4 薄板破断特征分析
• 4.2 顶板结构研究
• 4.2.1 结构模型的建立
• 4.2.2 “卸载拱”基本特征
• 4.3 大段高工作面合理分段高度极值研究
• 4.3.1 力学模型的建立
• 4.3.2 横向载荷作用下应力分布
• 4.3.3 纵向载荷作用下应力分布
• 4.3.4 横向与纵向载荷作用下应力分布
• 4.3.5 合理分段高度判别式的选取
• 4.3.6 合理分段高度极值的选取
• 4.4 本章小结
• 5 充填体控制作用研究
• 5.1 急斜煤层开采沉陷规律试验研究
• 5.1.1 试验设计
• 5.1.2 试验过程及分析
• 5.1.3 水平分段放顶煤开采沉陷特征
• 5.1.4 试验结论
• 5.2 充填平面模拟试验研究
• 5.2.1 充填模拟实验设计
• 5.2.2 试验过程及现象
• 5.2.3 试验结论
• 5.3 充填体控制作用研究
• 5.3.1 力学分析
• 5.3.2 充填体控制作用
• 5.4 本章小结
• 6 数值分析研究
• 6.1 离散单元法基本原理
• 6.2 UDEC 介绍
• 6.3 数值模型的建立
• 6.4 数值计算过程及分析
• 6.4.1 45°数值模型计算过程、分析及结论
• 6.4.2 65°数值模型计算过程、分析及结论
• 6.4.3 84°数值模型计算过程、分析及结论
• 6.5 本章小结
• 7 工程实例应用
• 7.1 试验工作面矿压显现概况
• 7.2 试验工作面生产状况
• 7.3 本章小结
• 8 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录