错层位开采工作面底板裂隙卸压效果及瓦斯治理研究

发布时间：2018-03-19 20:35

本文选题：错层位　切入点：煤柱　出处：《中国矿业大学(北京)》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文充分运用理论分析、FLAC3D数值模拟及FLUENT数值模拟三种方法对错层位开采保护层底板岩层的裂隙发育、卸压效果及煤与瓦斯共采技术进行了综合研究,首先对错层位巷道布置进行了简单介绍,在此基础上对回采工作面的底板破坏机理与破坏深度展开研究,得到底板破坏深度的计算方法,并确定应力大小是影响底板破坏深度的主要因素之一为了得到应力大小,建立弹性薄板力学模型,结合关键层理论得到应力的计算方法,进一步结合底板破坏深度的计算公式,完善了底板破坏深度的计算公式为：在得到底板破坏深度判定准则的基础上,对留煤柱护巷、沿空掘巷以及无煤柱搭接三种情况的底板破坏进行分析,得到三种情况下底板的不同破坏情况。同时,进一步对错层位巷道无煤柱搭接工作面的底板破坏深度进行修正,得到无煤柱搭接错层位巷道布置接续工作面开采造成的底板破坏深度为：对公式进行分析发现,错层位巷道布置形成搭接工作面的两端的破坏深部较留煤柱开采工作面两端的破坏深度大,且相邻工作面搭接处底板岩层存在一破裂区,错层位相互搭接工作面的两侧将会产生比留煤柱要大得多的破裂区深度,对下伏被保护层的卸压有利,且两侧应作为长期瓦斯抽放的区域。进一步结合错层位的开采特点,对于采场的横向裂隙,首采工作面开采期间,覆岩垮落压实,形成“I”型圈,接续工作面开采期间,由于无煤柱,覆岩垮落带与首采工作面形成一个整体,随着工作面开采范围的增加而逐渐增大,整个采空区的形态表现为“O-L-O”型。考虑到错层位内错式巷道布置不同于传统留煤柱开采,因此对留设不同尺寸护巷煤柱开采保护层对被保护层的卸压效果进行了研究,得到如下几个结论：(1)传统留煤柱护巷开采保护层,煤柱尺寸直接影响到与保护层对应的被保护层区域,煤柱中部存在原岩应力区的前提下,被保护层对应存在：原岩应力区、应力增高区、部分卸压区及充分卸压区。(2)在采用错层位巷道布置开采保护层,由于相邻工作面之间实现完全无煤柱搭接,因此多个相邻工作面体现出单一工作面特点,被保护层中相应位置仅仅存在充分卸压区,且被保护层经历多次采动影响,卸压更充分。在此基础上,结合留煤柱护巷开采保护层,借鉴突变理论对留煤柱巷煤柱的合理尺寸进行公式推导,认为当留设煤柱的屈服区超过煤柱的88%就会有发生突变的可能性,给出为实现被保护层充分卸压需要煤柱发生突变,其临界宽度公式为：a=|25mξ/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]|同时,由于煤柱的流变特性,即使载荷不再增加,其变形也将随着时间而增加,当屈服区范围不断增大,最终系统将由稳定状态进入非稳定状态,这里取煤柱的稳定时间见如下公式：t=η/ElnE+λ/KdHaL=25mξL/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]η/ElnE+λ/Kdm在此,从实现被保护层充分卸压的角度出发,确定留设煤柱发生突变、破坏对于被保护层的连续、充分卸压有利,给出煤柱留设的合理尺寸,为了保证生产,进一步给出煤柱发生破坏的时间,同时给出工作面的合理推进速度。由于临界尺寸煤柱的留设一方面涉及到受采动影响,另一方面关系到被保护层的卸压效果,因此对留设临界尺寸开采保护层的回采方案进行优化,即采用跳采的开采模式,同时分析卸压效果要优于传统煤柱的留设方案。在此基础上进一步对错层位内错式巷道布置开采保护层的效果进行分析,认为由于取消区段护巷煤柱,首采工作面的卸压效果与其他两种方式相同,但接续工作面开始相当于增加了保护层回采工作面的长度,在提高回采率的同时,卸压范围更大、效果更好,因此应是最有利的模式。为了进一步验证前述研究结果,采用FLAC3D对错层位巷道布置开采上保护层的效果进行了模拟,同时为了深入分析其特点,补充了留设5m和15m护巷煤柱的开采效果进行对比,得到如下研究结论：(1)开采8#煤层作为上保护层对底板的破坏发现,底板破坏范围随着工作面推进逐渐增加,但当开采达到一定范围后,底板垂直破坏深度趋于一定值(12m),而工作面前方实体煤与切眼一侧底板岩层破坏深度最大(16m)。(2)对8#煤层作为上保护层开采底板应力分布情况来看,错层位无煤柱搭接开采保护层,对底板的卸压效果更好,且相邻工作面之间搭接的部分也实现卸压,保证了下伏被保护层沿倾向的充分、连续卸压；而留煤柱正相反,首先影响了采空区底板岩层不能充分卸压,且保留的煤柱下方出现应力集中,影响到接续工作面底板的卸压效果,被保护层不能实现充分与连续卸压。通过FLAC3D的数值模拟,认为错层位内错式巷道布置对于被保护层的充分、连续卸压更为有利,9#煤层与8#煤层层间距为9m,底板破坏范围在12-16m,因此认为8#煤层作为9#煤层的上保护层可行。论文中,进一步对开采8#煤层的瓦斯涌出量、采空区瓦斯富集特点以及煤与瓦斯共采技术几个方面进行研究,得到如下研究结论：(1)经过计算,得到8#煤层开采过程中,本煤层瓦斯涌出量占67.2%,邻近层瓦斯涌出量占32.8%。(2)通过对8#煤层开采采空区瓦斯的富集进行FLUENT模拟发现,8#煤层开采过程中,采空区瓦斯浓度高,需要制定瓦斯抽采措施,而特别是距离回风巷30-40m的瓦斯浓度较高,应该作为瓦斯抽采的重点区域；(3)结合错层位开采8#保护层采空区垮落特点以及底板岩层的破坏,提出采用布置地面钻孔及下伏被保护层底板岩巷穿层钻孔上向抽采瓦斯综合解决错层位巷道布置首采与接续工作面。论文取得如下创新点：(1)推导了工作面开采底板破坏深度的计算公式：在得到底板破坏深度判定准则的基础上,对留煤柱护巷、沿空掘巷以及无煤柱搭接三种情况的底板破坏进行分析,得到三种情况下底板的不同破坏情况。(2)同时,进一步对错层位巷道无煤柱搭接工作面的底板破坏深度进行修正,得到无煤柱搭接错层位巷道布置接续工作面开采造成的底板破坏深度为：分析公式发现,错层位巷道布置形成搭接工作面的两端的破坏深部较留煤柱开采工作面两端的破坏深度大,且相邻工作面搭接处底板岩层存在一破裂区,错层位相互搭接工作面的两侧将会产生比留煤柱要大的破裂区深度,对下伏被保护层的卸压有利,且两侧应作为长期瓦斯抽放的区域。(3)结合错层位的开采特点,对于采场的横向裂隙,首采工作面开采期间,覆岩垮落压实,形成“O”型圈,接续工作面开采期间,由于无煤柱,覆岩垮落带与首采工作面形成一个整体,随着工作面开采范围的增加而逐渐增大,整个采空区的形态表现为“O-L-O”型。(4)对留设不同尺寸护巷煤柱开采保护层对被保护层的卸压效果进行了研究,发现不同留设煤柱尺寸对应被保护层相应的存在分区情况,在此基础上,借鉴突变理论对留煤柱巷煤柱的合理尺寸进行公式推导,认为当留设煤柱的屈服区超过煤柱的88%就会有发生突变的可能性,在此,从实现被保护层充分卸压的角度出发,确定留设煤柱发生突变、破坏对于被保护层的连续、充分卸压有利,给出煤柱留设的合理尺寸,为了保证生产,进一步给出煤柱发生破坏的时间,同时给出工作面的合理推进速度,工作面留设煤柱的尺寸如下：a]|25mξ/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]|煤柱保持稳定的时间见如下公式：t=η/ElnE+λ/KdHaL=25mξL/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgξ]η/ElnE+λ/Kdm(5)结合错层位开采8#保护层采空区垮落特点以及底板岩层的破坏,提出采用布置地面钻孔及下伏被保护层底板岩巷穿层钻孔上向抽采瓦斯综合解决错层位形成无煤柱搭接的多个工作面。本论文对留煤柱以及完全无煤柱开采下伏被保护层的裂隙发育、卸压效果及煤与瓦斯共采体系的建立展开研究,论文通过理论分析、FLAC3D数值模拟及FLUENT三种方法得到了错层位开采底板的裂隙发育特点及卸压效果,但FLUENT模拟中仅仅给出采空区瓦斯浓度分布情况,尚未结合瓦斯抽采系统及接续工作面瓦斯浓度分布展开,这将作为下一步的重点工作展开研究。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD712.6

【参考文献】