沙坪矿近距离煤层开采覆岩运动规律及围岩变形机理研究

发布时间：2020-05-16 16:01

【摘要】：长时间以来,在近距离煤层开采方面,仍存在很多理论和技术的盲区,给工作面和回采巷道围岩稳定性控制都带来很多难题。本课题通过对覆岩结构理论和覆岩运动研究现状、近距离煤层采场矿压显现规律及下煤层回采巷道合理布置研究现状等进行深入分析,认为目前针对近距离煤层开采的研究,主要集中在层间岩层的研究,缺少在多重采动影响下的覆岩结构及其运动规律的系统研究,下层煤开采过程中工作面及巷道顶板应力分布的定量判定,影响应力分布因素的系统分析,下煤层回采多次动压影响下,巷道布置对于巷道围岩稳定性的影响等方面仍需进行更深入的研究。针对目前研究存在的主要问题,课题研究以沙坪矿近距离煤层开采为工程背景,以上覆岩层及运动为中心,以煤柱下回采巷道围岩及采场顶板稳定性控制、支护等为着眼点,运用理论分析、室内试验、数值模拟和现场工业性试验等手段,开展近距离煤层开采覆岩运动规律及围岩变形机理研究。建立系统的采场覆岩结构及采场应力分布力学模型,揭示近距离煤层开采,采场矿压显现的基本特征和规律,为近距离煤层开采覆岩结构及运动规律、采场应力分布及岩层控制、下煤层回采巷道布置及稳定性控制等提供坚实理论基础。(1)通过对近距离煤层上行开采、下行开采及合层开采矿压显现影响因素的分析,得出了上下煤层垮落带高度和上煤层关键层稳定性,是近距离煤层采场矿压显现和回采巷道稳定的关键影响参数。(2)基于全国矿区实测统计垮落带高度,通过对5个矿区的工作面支架受力与上煤层关键层稳定性的数据总结,分析了其与上下煤层计算垮落带高度之间的关系,进而将近距离煤层开采分为下煤层开采不造成上煤层关键层结构的失稳(Ⅰ类)、下煤层开采导致上煤层关键层结构失稳(Ⅱ类)两种类型。其中Ⅰ、Ⅱ类又可分别分为两个亚类,分别为双砌体梁结构(ⅠA型)和上砌体梁下悬臂梁结构(ⅠB型)、双悬臂梁结构(ⅡA型)和上悬臂梁下砌体梁结构(ⅡB型)。(3)通过理论分析,对近距离煤层开采中4种覆岩结构类型和上煤层工作面回采期间,支撑压力对煤层底板的损伤影响进行研究。建立了下煤层工作面开采过程中4种覆岩结构的力学模型。通过对力学模型中覆岩结构的分析可知,当上煤层关键层结构不失稳(Ⅰ类)时,上下煤层间距相对较大,上煤层关键层结构的回转变形空间有限,重新达到稳定后还具有一定的承载能力,不会造成下煤层工作面的大面积来压。在上煤层关键层结构失稳的情况中,当层间岩层厚度较小时,随着工作面的推进,上煤层关键层结构和下煤层顶板岩层将形成双悬臂梁结构(ⅡA型)的形式,上煤层关键层结构中的断裂线位置、块体长度均将对下煤层工作面的矿压显现产生不同的影响,工作面将形成大小周期来压现象。当层间岩层厚度较大、完整性较好时,随着工作面的推进,层间岩层将形成砌体梁结构,上煤层关键层结构和下煤层顶板岩层将形成上悬臂梁和下砌体梁双结构(ⅡB型)的形式,然而在上煤层关键层结构中的断裂线位置、块体长度等因素的影响下,工作面矿压显现规律不尽相同,其中,当上煤层悬臂梁块体长度大于砌体梁关键块长度,且上悬臂岩块断裂线位置与下煤层砌体梁关键块断裂线位置对齐时,工作面将出现来压步距一致,来压强度具有显著差异的大小周期来压现象,在大周期来压期间,矿压显现剧烈。(4)上煤层支承压力对煤层底板的破坏深度不仅与上煤层周期来压规律、上覆岩层结构及运动规律相关,而且随着底板空间位置的变化,底板破坏深度也呈现出规律性的变化。通过对底板损伤深度的评价,将底板损伤分为较稳定区和危险区,在下煤层回采前进行工作面支架选型和巷道布置时应综合考虑,分区控制,保证下煤层工作面的安全高效生产。(5)通过相似模拟试验,对比分析了3m和18m层间距近距离煤层开采过程中上覆岩层运动规律。结果表明:(1)层间距较小的近距离煤层开采时,由于上煤层开采时上覆岩层内已形成大量裂纹,下煤层开采时裂隙扩展发育,导致下煤层采空区压实区距工作面距离大大缩短,给工作面的顶板稳定性控制和安全生产造成严重威胁。(2)随着层间距的增大,下煤层开采时覆岩运动稳定区滞后工作面距离逐渐增大。(3)层间距较小时,上煤层开采形成的砌体梁结构转化为上悬臂梁结构,通过上煤层垮落矸石,将荷载传递给下煤层工作面顶板岩层,上煤层悬臂梁结构和下煤层悬臂梁结构共同作用下,使下煤层工作面周期来压步距与上煤层周期来压出现同步协调的现象。(4)由于层间岩层厚度增加,层间岩层具有形成基本顶的条件,开采下层煤时对工作面影响较大的是层间基本顶。由于下煤层工作面采空区垮落矸石能够对工作面顶板形成支撑,当工作面进入正常回采阶段时,就形成了双砌体梁结构模型。覆岩部分荷载通过上煤层垮落矸石传递给下煤层工作面顶板岩层,当煤层间距较大时,上下煤层工作面的来压规律同步协调性不断减弱。(6)在近距离煤层采场应力分布及巷道合理布置的研究中,通过MATLAB和离散元软件3DEC,开展不同层间距近距离煤层开采覆岩运动规律、工作面矿压显现规律、采场应力分布特征及下煤层回采巷道合理位置确定等研究,揭示了层间距对采场应力分布的影响规律,结果表明,随着层间距的不断增大,采场最大应力区域滞后工作面距离逐渐增大,且由于采空区垮落矸石的充填,下煤层工作面矿压显现具有减弱趋势。通过对3m层间距近距离煤层开采巷道布置的数值模拟分析,得到了下煤层回采巷道外错5m时较为合理的结论。(7)通过对小间距近距离煤层和大间距近距离煤层的覆岩结构运动的理论分析,建立了上煤层回采期间煤柱侧关键块断裂回转力学模型,并对其稳定性进行了分析。结果表明,在上煤层回采期间,下煤层回采巷道顶板整体上弯矩中间大,两帮小,且靠近副帮侧弯矩大于正帮侧,属于直接顶最易被拉断而发生破坏的重点区域。现场试验表明,随着上下煤层层间距的不断减小,下煤层巷道围岩变形量显著增大,且巷道围岩变形速度增大时,超前工作面距离不断增加。当层间距较小时,上煤层支撑压力区对下煤层巷道围岩变形的影响显著,导致动压区内下煤层巷道围岩变形更加剧烈,且围岩变形稳定时滞后上煤层工作面距离较小。通过理论分析,详细分析了下煤层开采时不同层间距条件下“支架-围岩”相互作用关系,同时结合沙坪煤矿近距离煤层开采条件,计算了双悬臂梁结构和双砌体梁结构时工作面支架的合理工作阻力;计算结果表明,当煤层间距较小,上悬臂梁和下悬臂梁断裂位置处于同一铅垂线上时,工作面支架承受的荷载最大,为7692KN,明显小于双砌体梁结构时的承受载荷,进一步说明工作面支架工作阻力为8000KN是合理的。(8)根据研究成果,在沙坪煤矿1808工作面开展工业性试验,试验结果表明,随着巷道距下煤层工作面距离的不断减小,巷道顶板岩层裂纹重新发育、扩展并向下贯通;当煤层间距较小时,上煤层支撑压力已造成层间岩层出现大量裂纹,下煤层工作面回采期间,裂纹进一步发育、扩展,严重影响巷道顶板的稳定性。下煤层工作面超前支撑压力对巷道围岩变形影响显著,层间距较小的巷道顶底板和两帮移近量增大速度,明显比层间距较大的Ⅰ阶段加快。因此,在1808工作面回采期间,胶运顺槽超前支护设计,应根据层间距和层间岩层岩石力学性质的不同有所差异。现场试验结果表明,当煤层间距较小时,支架压力受到上煤层关键层结构的影响显著,上下煤层间来压步距同步协调性增强。下煤层工作面回采期间,上煤层关键层结构断裂、回转失稳,造成下煤层工作面支架需要承担更大范围覆岩荷载。通过现场试验,取得了满意的结果,试验结果与研究结果较为吻合,能够为相似条件下近距离煤层的开采,提供理论基础,具有一定的应用价值。
【图文】：

a-前拱脚；b-后拱脚；1-顶板内压力拱轴线；2-底板内压力拱轴线图 1.1 回采工作面压力拱假说Fig.1.1 Pressure arch hypothesis in working face该假说对采场上覆岩层的认识有两个突出贡献，一是认识到支架所承有限的；二是随着采空区矸石的逐渐压实，，工作面前方和采空区会形

1-不规则冒落带；2-规则垮落带；3-裂隙带图 1.2 铰接岩块假说Fig.1.2 The hypothesis of hinged rock block对支架与围岩的相互作用进行了比较详细的分析。针对规发生断裂提出了支架存在的两种不同工作状态，即“给定
【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】：2018
【分类号】：TD325


本文编号：2666983