急倾斜三软煤层综放采场覆岩移动与顶煤放出规律研究

发布时间：2019-01-01 17:33

【摘要】：随着我国煤炭开发的重点逐步向中西部转移,在急倾斜煤层厚煤层中采用走向长壁放顶煤开采的情况逐步增多,而由于急倾斜走向长壁综放开采的覆岩移动与矿压显现规律有其不同于水平煤层综放开采的独有特点,故需要进一步加强理论研究以指导现场采场的围岩控制水平。本文以山西大远煤业急倾斜三软煤层的特定赋存条件,进行了走向长壁综放采场覆岩移动与围岩控制的研究,论文系统研究了顶底板的物理力学性质、急倾斜采场的覆岩移动和矿压显现规律、支架与围岩关系、顶底板稳定性分析与控制等,取得了如下主要成果：(1)通过单轴压缩实验和点荷载仪相结合的方法对钻孔取芯的顶底板岩石试样进行室内岩石力学实验,得出了影响急倾斜围岩控制的顶底板物理力学参数,为数值计算和相似模拟实验奠定基础。(2)急倾斜三软煤层综放开采过程中,工作面前方出现应力增高区,且工作面中部的超前支承压力峰值大于上下两端头。随着推进距离的增大,采空区卸压范围增大,工作面前方超前支承压力影响范围及集中程度同样增加。工作面推进至80m时,沿倾斜方向中下部支承压力峰值不再发生变化,说明中下部采空区首先被压实,垮落矸石表现出应变硬化现象,开始承担覆岩载荷,覆岩运动对支承压力的影响程度降低,采空区开始出现应力恢复现象。而工作面上部由于充填不充分,应力集中程度仍然随着工作面推进距离的增加而增大。(3)在工作面推出的初期,工作面由于采空区覆岩悬露范围小,受采动影响的岩层层位较低,同倾斜方向上位移分布特征相似,工作面下部位移量最大值可达11cm,而中上部顶板下沉量则较小,但工作面中上部受采动影响的岩层范围相对较大。当工作面推出较远时,采空区范围增大,采空区上部岩层达到其极限跨距而垮落,受采动影响范围增加,此时工作面顶板下沉量最大值达到14cm。(4)在相似模拟实验和数值计算结论的基础上,建立了急倾斜顶板受力的非均布载荷模型,揭示了顶板在倾斜方向的受力、变形特征及其破断规律；提出了倾向覆岩特征的“三段式”假设。与缓倾斜煤层开采相比,急倾斜煤层开采后,最大垂直位移向工作面下端头处偏移,这不仅仅是岩层的非均布压力导致,更主要的原因是沿煤层倾斜向下的分力造成的；缓倾斜煤层开采时,岩层水平位移表现为采空区两侧岩层向采空区中间移动,而急倾斜煤层的垮落带以上岩层由于其在垂直岩层方向作用力的影响下,表现为向工作面上端头侧水平移动。(5)对急倾斜三软煤层综放开采工作面煤壁片帮分析发现：顶板压力集度q是煤壁发生破坏的最主要原因；煤的内聚力c、内摩擦角φ、护帮高度H1越大,护帮板作用力q0越大,安全系数就越大,煤的内聚力c较小是煤壁发生剪切破坏的内因,相对而言,煤层的内摩擦角、护帮板作用力及护帮高度对煤壁稳定性的影响较小,护帮板只起到防止破坏的煤体片塌下来,而不能起到防治煤壁破坏的作用。(6)由于综放工作面倾向覆岩运动特点不同,导致支架承载特性不一,建立了沿工作面倾向上部、中部和下部三种“支架—围岩”相互作用模型。研究发现在工作面上部顶煤和顶板较软,随采随冒,而冒落的煤岩体会向下滑移充填下部采空区,尤其在放煤后,上部的空顶区域会进一步加大,致使支架上方悬空,此时,顶板的破断就会给支架产生一定冲击形成动载；在工作面下部,垮落矸石和煤体下滑充填,使下端头充填密实,采空区的煤矸与支架共同承担覆岩压力,分担支架的部分载荷,使支架载荷偏小；中部,矸石的充填介于上部和下部之间。(7)通过散体顶煤放出相似模拟试验,急倾斜厚煤层综放开采顶煤放出体向工作面上端头发育趋势明显,且放出体在靠近顶梁处发育较快。分析顶煤回收率分布特征,发现沿走向煤层倾角对回收率分布影响很小；沿煤层垂直方向回收率呈现出中位高位低位的分布特征。(8)通过离散元数值模拟,发现急倾斜综放过程中,煤岩散体以近似直线的轨迹向放煤口运动,且运移路径接近铅垂线的颗粒容易被放出；最快放出路径沿煤层倾向与铅垂线间存在一固定夹角；煤岩分界面空间形态呈现出了显著的“非对称性”。(9)通过PFC2D数值模拟,研究了三种放煤顺序下的顶煤回收率、放出体、煤岩分界面、接触力场和放煤时间的不同特征,提出了合理的放煤顺序,对现场放煤工艺进行了优化,提高了回收率。运用顶煤运移跟踪仪,对1201急倾斜综放工作面顶煤回收率进行现场观测,实测值与室内试验结果基本吻合,验证了散体相似模拟试验结论的正确性。
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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;TD823.21

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