厚煤层残煤复采采场围岩控制理论及其可采性评价研究

发布时间：2018-03-29 21:39

本文选题：厚煤层　切入点：残煤复采　出处：《太原理工大学》2015年博士论文

【摘要】：我国是煤炭生产和消费大国,在一次能源消费结构比例中,煤炭占60-70%的消费结构在相当长的一个阶段内不会改变。我国又是一个富煤、贫油、少气的国家,煤炭资源占世界总储量的11%,但我国人均煤炭占有量不足世界平均占有量的一半,资源短缺将直接影响到我国社会和经济的发展。因此,资源保护性高回收率的开发及利用是我国煤炭开发重要战略之一。由于技术装备及工艺落后等原因,上个世纪九十年代之前我国很多矿区优质的、稀缺的厚层煤炭资源采用巷柱式、巷放式(高落式)、残柱式等开采方法,造成了煤炭资源的严重浪费。随着采矿理论和采矿工艺的发展,这些未被有效利用的旧采残留煤炭资源即“残煤”的再次开发利用成为可能。长壁综合机械化放顶煤采煤方法是厚煤层开采有效方法之一。该方法经历几十年的发展与完善,其开采工艺、配套装备及安全技术措施等已趋于完善。受旧采区内遗留的空区、空巷、冒顶区及煤柱的影响,长壁综放工艺应用于厚煤层残煤复采时,工作面围岩应力分布规律、围岩变形特征及顶板断裂结构与实体煤开采有明显的不同,围岩控制原则也有极大区别。由此,本文在充分调研山西省厚煤层旧采情况的基础上,总结了旧采矿井开采损失现状及残煤复采类型,并以圣华煤业3101厚煤层残煤复采长壁综放工作面为工程背景,采用理论研究、数值模拟和相似模拟相结合的方法,对近水平厚煤层残煤复采放顶煤工作面采场的围岩应力分布及运动规律、顶板断裂特征及支架围岩关系等进行了系统研究,并对近水平厚煤层残煤复采可采性进行评价,建立了近水平残煤复采可采性综合评价体系。主要研究内容及成果如下:(1)山西省旧采矿井的分布有两个特点:①煤质越优的区域旧采情况越严重;②埋藏深度越浅的煤层旧采情况越严重。厚煤层旧采采煤方法主要包括巷柱式、巷放式和残柱式(以掘代采)采煤方法;依据旧采形成的残煤赋存特征,残煤复采分为纵跨煤柱型、横跨煤柱型、斜跨煤柱型和块段煤复采四种基本类型。(2)采用二维平面、三维立体相似模拟及数值模拟实验,对残煤复采采场覆岩结构及运动规律进行研究。研究结果表明:受工作面前方旧巷影响,残煤复采采场顶板的断裂特征主要表现为“超前大断裂”;各岩层运动变形的起点均超前于工作面煤壁,运动变形曲线明显形成波动幅度不同的“波浪状”下沉盆地,根据实验结果,建立了残煤复采采场上覆岩层结构模型—不规则岩层块体传递岩梁结构模型,并对该模型中“关键块”的断裂位置及失稳机理深入研究,确定了影响“关键块”的断裂位置与失稳的主要因素有旧巷宽度、煤柱临界宽度和煤壁后方悬顶长度,并定量建立了其间的相关关系。(3)采用相似模拟及理论分析,研究了残煤复采采场支承压力的分布、演变规律及支架围岩关系。根据工作面前方煤柱的稳定性将工作面前方支承压力及其显现的发展过程划分为三个阶段,应力叠加促使煤柱失稳引发支承压力及其显现的剧烈变化是残煤复采的重要特点之一。通过相似模拟结果建立了支架围岩相互作用力学模型,给出了支架工作阻力的确定方法。(4)建立了液压支架稳定性力学模型并对支架失稳机理进行研究,研究表明,残煤复采放顶煤液压支架稳定性事故分为推垮型事故和压垮型事故,残煤复采采场顶板超前断裂、工作面前方煤柱失稳及旧巷顶板冒落是引起支架失稳的主要原因。(5)在以综放支架为主要围岩控制手段的基础上,系统研究了保障围岩控制效果的综合技术措施及其机理。主要包括改变旧采区顶板的支撑体系、转移顶板应力集中的位置并降低应力集中系数两种方式,分别建立力学模型分析了不同方式的围岩控制方案对支架稳定性的影响,研究结果表明,根据具体条件采用采前支护旧巷、爆破预裂顶板、控制煤壁片帮及端面冒漏的采场围岩控制方案是残煤复采围岩控制有效技术措施。(6)根据煤炭资源的自然价值理论和环境资源价值理论,建立了残煤复采经济可采性评价架构;提出了残煤复采安全可采性的多因素多水平数值计算评价方法。本论文的研究成果,丰富了残煤复采采场围岩控制理论,完善了煤炭资源可采性的评价体系,对指导我国残煤复采实践并推动我国煤炭资源高效利用及煤炭的可持续发展具有现实的指导意义及理论价值。
[Abstract]:The coal mining method is one of the most important strategies in China ' s coal development . ( 2 ) Based on the experimental results , the paper studies the distribution , evolution law of the support pressure of coal pillar and its development process . ( 6 ) Based on the natural value theory of coal resources and the theory of environmental resources value , the author has established the evaluation framework of the mining property of residual coal recovery and mining . The research results of this paper have enriched the theory of the surrounding rock control in the recovery of residual coal and perfected the evaluation system of coal resource availability . It has guiding significance and theoretical value to guide our country ' s mining practice and promote the efficient utilization of coal resources and the sustainable development of coal .

【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD823.253

【参考文献】