大采高超大采场覆岩破坏运动特征及控制研究

发布时间：2017-12-30 12:27

本文关键词：大采高超大采场覆岩破坏运动特征及控制研究　出处：《中国矿业大学(北京)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,大采高一次采全高开采技术因其高产、高效、低成本等优势在我国各大矿区得到广泛应用,在极大提高工作面生产潜能的同时,因对于该采煤技术理论研究滞后于工程实践,在大采高工作面表现出同普通综采工作面差异较大的矿压显现甚至灾害现象。本论文针对王庄煤矿厚煤层(7.2m)特定赋存条件,进行了大采高超大采场围岩控制技术的研究,论文综合运用现场观测、实验设备开发、实验室实验、数值模拟计算和理论分析等综合研究手段,系统地分析了煤壁片帮机理、注浆防片帮技术措施、支架与围岩关系、顶板载荷计算方法、采煤工艺优化等问题,得到以下主要研究成果:(1)对主采煤层取样,进行煤岩力学参数测试。为得到该矿煤岩力学参数,为之后围岩稳定性数值分析工作奠定基础,在王庄煤矿8101工作采集煤样并加工成50*100mm的标准煤研试件,并对其进行单轴压缩和抗剪验。面轴压缩试验中试件破坏时的变形量都小于试件尺寸的百分之五,均表现为明显的脆性破坏形式。断层构造处3#煤的抗压强度仅为4.2MPa,强度较小,而正常赋存条件下该矿煤层抗压强度约为12MPa,因此,在高强度开采条件下工作面遭遇断层处揭露的煤壁容易发生片帮现象。(2)工作面长度及煤柱尺寸优化。为提高资源回收率,利用极限分析定理得到一定覆岩载荷作用下老顶保持稳定的条件,进而得到该赋存条件下可选工作面的最大长度;利用数值分析和理论分析得到区段煤柱保持稳定的条件,若煤柱中存在一定范围(2-3m)的弹性核,则其自身可保持稳定,回采巷道不需特殊支护,根据数值分析结果得到煤柱上方不同分布形态的覆岩载荷,进而反演处煤柱所处的状态,得到该赋存和工作面布置条件下可选最小煤柱尺寸,最终从最大程度上提高了后备区煤炭资源的回收率。(3)通过室内相似模拟得到大采高工作面覆岩破断后运动形式。针对王庄煤矿3#煤特定赋存条件,铺设二位平面应力相似模拟模型,通过高清摄像机拍照得到开挖过程中覆岩运动形态和老顶所形成的结构。由于一次采出空间增大,覆岩破断后垮落带、裂隙带同时增大,分别达到20m、70m。根据老顶运动形态,分别建立了工作面初次来压、周期来压破断顶板稳定性分析力学模型,利用最小势能原理得到结构的极限平衡位置及结构失稳形式,最终得到大采高工作面因一次开采高度的成倍增加,老顶破断岩块失稳形式以滑落失稳形式为主,提高了工作面来压时的显现强度。(4)根据大采高工作面老顶结构的滑落失稳特征,提出利用能量守恒原理为基础的支架工作阻力确定方法,老顶破断岩块失稳下落运动过程中,重力势能的减少量全部转化为直接顶及工作面支架吸收的能量,利用支架所需吸收的能量即可得到支架所需的额定工作阻力。根据直接顶性质的不同得到不同的支架工作阻力计算公式,并对不同情况下支架阻力的影响因素进行了分析。由于大采高一次采出厚度成倍增加,直接顶范围增大,直接顶重力在顶板载荷中所占的比例同样增加,根据老顶破断岩块形成稳定平衡结构的力学及几何条件,分析得到直接顶厚度确定公式,进而得到直接顶松脱体重力,直接顶重力同老顶压力之和即为支架工作阻力,利用该方法指导8101工作面支架选型取得成功。(5)工作面过断层防片帮技术。断层构造对煤岩力学参数具有弱化作用且大范围宏观节理面的存在大大提高了断层附近煤壁片帮事故的发生概率。利用极限分析定理分析了断层构造处煤壁片帮事故的发生机理,并结合数值分析和室内实验得到不同煤壁片帮形势下的主要影响因素,即煤岩力学性能降低、顶板压力增大及互帮板提供的水平支护力不足是造成8101工作面断层构造影响处煤壁发生片帮现象的主要原因,针对以上结论提出了重型装备高阻力、低推进速度过断层技术。根据实验室相关注浆实验结果,8101工作面过断层时采用了注浆压力+侧护网综合防片帮技术,实现了断层区域安全高效生产。(6)根据工作面末采阶段,老顶破断运动特征,分析得到工作面回撤阶段压架事故发生机理,并根据回撤阶段工作面、回撤巷道及顶板断裂线的相对空间位置关系提出了改变采高、改变工作面推进速度及让压开采等回撤阶段的顶板控制措施,并在此基础上优化了大采高采场重型设备的快速搬家技术,提高了配套设备的回撤、搬家效率。
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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】：2016
【分类号】：TD325

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