浅埋近距离煤层覆岩结构失稳致灾机理及颗粒流分析

发布时间：2020-03-30 21:39

【摘要】：神东矿区为我国典型的浅埋近距离煤层赋存矿区,上煤层长壁开采表明工作面普遍发生顶板台阶下沉,支架压死等剧烈矿压现象。顶板台阶下沉事故严重影响了矿区的安全高效生产,即使采用支护强度为1.52 MPa的先进液压支架,仍有多起压架事故发生。由于神东矿区浅埋煤层顶板破坏运动规律的特殊性,原有长壁工作面顶板岩层控制经验和理论已不能很好地解释这种现象。因此,针对神东矿区浅埋近距离煤层上煤层覆岩活动的特殊性,研究覆岩结构特征及稳定性解决开采面临的生产技术及安全问题具有重要的理论和现实意义。近些年随着神东矿区开采强度的增大,尤其是高产高效开采技术的快速发展,大部分矿井已逐步转向下煤层的开采。多数下煤层工作面开采矿压实测表明下煤层工作面出上煤层遗留煤柱边界前后约5 m范围内均有煤壁片帮严重、支架活柱在短时间内急剧下降的剧烈矿压显现,甚至导致采煤机无法正常行走割煤而造成工作面被迫停采。控制弱化下煤层工作面出煤柱剧烈矿压进而确保出煤柱安全成了急需解决的技术难题。岩体作为连续介质集合体的离散介质,连续介质需通过非连续特征而发生相互作用,这与颗粒流程序的基本特征吻合。颗粒流程序在模拟分析覆岩破断运动规律方面具有独特的优点—能够再现覆岩运动所经历的挠曲、离层、断裂、垮落、堆积以及压实的整个过程,并能够显式追踪采动裂隙扩展过程。基于上述,综合运用现场实测、理论分析、相似模拟物理实验和颗粒流模拟实验研究浅埋近距离煤层重复采动覆岩结构失稳致灾机理,进而实现安全高效生产的目的。本文的所有数值模拟实验均采用颗粒流程序进行计算分析。考虑到“试错法”标定细观参数的繁琐、低效率缺点以及细观参数标定和相似材料配制具有相同的本质,均被用来模拟再现特定材料的力学属性,因此,本文提出了采用相似理论标定颗粒力学模型细观参数的新方法。准确认识节理煤体单轴压缩力学行为特征对揭示浅埋近距离煤层重复采动覆岩结构特征及其演化规律具有重要的意义,为此本文研究了割理属性对节理煤体应力—应变特征以及失效模式的影响作用,分析了节理煤体强度与割理密度的关系以及应力—应变类型与失效模式之间的联系,揭示了节理煤体应力—应变特征呈多样性的机理,并深入探讨了节理煤体强度尺寸效应。针对神东矿区浅埋近距离煤层上煤层长壁开采顶板普遍发生台阶下沉压架灾害,通过对所建顶板台阶下沉覆岩模型进行理论分析,解释了顶板台阶下沉现象,并通过数值模拟与相似模拟物理实验以及现场实测对比分析揭示顶板台阶下沉机理。最终通过理论分析计算,获取了防治顶板台阶下沉所需的最小支架工作阻力。针对神东矿区浅埋近距离煤层下煤层工作面出煤柱剧烈矿压,首先根据煤柱上方关键层层位和下煤层工作面切眼距上煤层遗留煤柱边界的距离,将下煤层下行开采时上煤层煤柱上方覆岩结构划分为台阶岩梁和砌体梁两大类上覆承载结构,上关键层悬臂式破断和周期式破断两个子类,两个子类各自细分为上下煤层间存在与不存在关键层两类,共8种覆岩结构类型。建立了每种覆岩结构下工作面出煤柱压架力学模型,以覆岩结构稳定性为核心,通过理论分析建立了每种覆岩结构下工作面出煤柱压架机理。综合运用相似模拟物理实验、数值模拟以及现场实测的方法,验证了所建压架机理的正确性。为控制弱化下工作面出煤柱剧烈矿压,按照由下至上的空间关系分析了各个环节对下工作面出煤柱剧烈矿压的影响作用。依据分析结果,并考虑到一些因素(如煤层间距)非人为可以改变,提出下工作面出煤柱前采取充填采空空间和爆破卸压的方法预先减小上工作面覆岩承载结构下沉量的措施实现控制弱化出煤柱剧烈矿压的目的。
【图文】：

裂隙分布特征,长壁开采,工作面,地表

第一章绪论研究背景和意义矿区浅埋近距离煤层上煤层埋深普遍为 50—250 m。浅埋深、薄基岩、煤层赋存的典型特征。由于此类煤层的矿压显现规律具有明显的特点煤层，通常将具有埋深浅、基岩薄、上覆厚松散层赋存特征的煤层称东矿区浅埋近距离煤层上煤层的生产实践表明，煤层埋深浅并不一定面普遍出现台阶下沉现象，支架压死，矿压显现剧烈[1-8]。基本顶多数岩载荷，其断裂垮落运动直接波及地表，引起地表产生不连续变形进顶板发生较严重的台阶下沉时，位于工作面煤壁上方的拉张裂纹会相成溃砂以及大量水流向工作面，这将会造成水土流失，地表植被破坏所示。

模型图,梁结构,台阶,浅埋煤层

给出了浅埋煤层覆岩是否为复合关键层以及是否覆岩全厚切落破断照所给出的判定条件是否成立可将浅埋煤层划分为 2 类：厚松散层浅埋煤层煤层。后于 2000 年，侯忠杰[14]进行了组合关键层稳定性研究，，分析了组合关稳和回转失稳的关系，得到了组合关键层岩柱的滑落失稳是导致覆岩全厚沿发生台阶下沉的主要原因。此外，侯忠杰[15]于 2001 年推导了组合关键层的弹的覆岩载荷以及极限跨距的量化公式，进一步完善了组合关键层理论。2000 年，黄庆享[1]完成《浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究》著作顶板承载结构稳定性分析为核心，建立了顶板台阶下沉机理，根据破断岩块和铰接形态提出了浅埋煤层长壁开采顶板周期来压的“短砌体梁”结构和“结构模型，见图 1-2 所示。“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构的稳定性分析神东矿区浅埋煤层地质条件，两种结构都容易发生滑落失稳，这是引起工作剧烈并造成顶板沿工作面煤壁发生台阶下沉的根本原因所在。此外，给出了定性的支架工作阻力计算公式。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD323

【相似文献】