综放开采覆岩高位结构稳定性及强矿压形成机理研究

发布时间：2019-01-08 17:28

【摘要】：随着煤层深度及开采强度的增加,深井开采强矿压现象突显,严重威胁矿井安全高效生产。华亭矿区砚北煤矿采用综放开采,开采厚度为12.0m,论文以砚北煤矿强矿压为研究背景,应用关键层理论、物理相似材料模拟、数值模拟、岩石力学、材料力学、弹性力学等理论及研究手段,分析研究砚北煤矿综放开采覆岩结构失稳演化规律及其强矿压形成机理,确定综放工作面宽度和区段煤柱宽度与复合关键层控制范围之间的关系,选取合理的工作面宽度及区段煤柱宽度以达到避灾目的。主要研究结果如下:华亭矿区砚北煤矿煤5层开采覆岩具有“两硬一软”特征。综合分析煤5层开采覆岩岩性特征及矿压显现情况表明:煤层顶板侏罗统地层中岩性较硬、分层厚度较大的砂岩分布较多,具有明显的关键层特性;侏罗统之上新近系甘肃群岩层以泥岩类为主,夹砂岩、砂砾岩,为强风化带,其与第四系黄土层组成覆岩上部松散加载层,总厚度180m左右。应用关键层理论计算分析砚北煤矿开采煤层覆岩特性,得出距煤5层顶板21.8m的位置19.8m厚的细砂岩为覆岩中的亚关键层,也是开采煤层的老顶;位于覆岩中部的两层厚度分别为20.19m和19.20m相邻的细砂岩和粉砂岩为覆岩中的主(复合)关键层,即覆岩移动变形的主控制层。华亭矿区砚北煤矿覆岩具有明显的“两硬一软”特征,两硬指较坚硬的亚关键层和坚硬的复合关键层,一软指覆岩上部到地表的厚松散层。构造应力是强矿压形成的条件之一。通过物理相似材料模拟研究,结合矿井生产实践得出砚北煤矿长壁综放工作面初次来压步距为70～78m,周期来压步距为26～42m。水平构造应力对复合关键层破断步距存在一定影响,存在构造应力时复合关键层的破断步距大于非构造应力时破断步距,同时构造应力的作用使得复合关键层破断瞬间释放更大弹性能,使得工作面矿压显现更为剧烈。覆岩中部复合关键层与其上方的应力拱构成控制覆岩破断失稳的大结构。相似材料模拟和数值模拟结果表明,煤5层综放开采条件下,亚关键层位于冒落带范围,随工作面开采产生初次破断和周期破断,不具备大范围控制能力和高强度致灾条件;复合关键层位于覆岩中部,具备大范围控制其上覆岩层运移的条件,其上覆岩层在运移过程中构成应力拱结构,当复合关键层破断应力拱结构失稳后,在其上覆岩层及厚松散层与其同步运动,释放巨大动载能量进而导致采掘场形成强矿压。应用薄板理论构建了砚北煤矿复合关键层破断力学模型,结合实验模拟结果,分析了覆岩移动破坏演化规律及强矿压形成机理。在研究覆岩中部复合关键层和其上部软弱岩层及松散加载层构成的覆岩高位结构的基础上,应用薄板理论构建了复合关键层破断力学模型,在复合关键层破断步距计算公式中加入区段煤柱宽度的影响因子。经计算给出复合关键层破断时控制范围,为确定合理工作面宽度、区段煤柱宽度奠定了理论基础。通过理论分析给出,华亭矿区砚北煤矿煤5层开采覆岩中部复合关键层破断瞬间释放的冲击载荷是强矿压形成的主要条件,复合关键层控制范围越大,其破断前所承载的载荷和聚积的能量也越大,破断时形成的强矿压危害也越大。应用数值模拟方法研究了工作面宽度和区段煤柱尺寸对强矿压灾害强度的影响,确定了区段煤矿宽度与复合关键层破断步距之间的关系。研究结果表明,在工作面宽度一定时,区段煤柱宽度越大,复合关键层控制覆岩范围越大,破断时释放弹性能越大,对井下安全危害也越大;区段煤柱宽度一定的条件下,在极限跨距内随着工作面宽度的增加,复合关键层控制覆岩范围增大,发生破断时释放弹性能增大,对井下安全威胁也加大。有效削弱区段煤柱支撑作用,减小复合关键层控制范围是减轻井下强矿压冲击威胁程度的重要途径之一,在华亭矿区砚北煤矿特定地质采矿条件下,合理工作面布置参数为:工作面宽度在140～150m左右,区段煤柱宽度不大于6m。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD325

【参考文献】