“三软”厚煤层煤壁注水防片帮技术研究

发布时间：2020-05-27 17:28

【摘要】：芦岭矿Ⅱ883-1顶分层综采工作面煤体、顶板、底板均较松软且工作面采高大,在回采过程中易出现片帮、冒顶的现象,严重影响了工作面的安全高效回采。为了实现工作面煤壁的稳定控制,综合采用理论分析、实验室试验、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,对“三软”厚煤层煤壁的破坏形式与特征,煤壁前方塑性区发育规律,注水增强煤壁稳定控制的机理与注水工艺参数的设计进行了系统性研究。主要取得以下研究成果:(1)提出了“三软”厚煤层工作面煤壁片帮的破坏形式,制定了煤壁片帮的判定准则。分别基于压杆理论与滑动体理论建立工作面煤壁“弯曲变形”阶段力学模型与“全煤壁弧形滑动剪切破坏”力学模型,确定了煤壁片帮发生的位置、深度及煤壁最小临界稳定高度,研究了煤体内摩擦角、粘聚力与工作面采高对煤壁片帮深度及临界稳定高度的影响规律。(2)基于D-P屈服准则建立“三软”厚煤层工作面煤体前方塑性区力学分析模型,得到了煤壁前方支承压力和中间主应力系数l、塑性区宽度之间的分布规律;研究了工作面采高、采深、支架护帮力、煤体粘聚力与内摩擦角对塑性区宽度的影响,确定了芦岭矿Ⅱ883-1工作面塑性区宽度为5.29 m,揭示了煤体自身粘聚力和内摩擦角是影响工作面煤壁稳定性的两个重要因素,提出了实现煤壁稳定控制的针对性措施。(3)理论分析、实验室试验和数值模拟共同研究了煤壁注水防片帮的机理。通过煤样干燥性试验、不同含水率煤样单轴压缩与变角剪切力学试验,测定了工作面煤体原始含水率,得到了煤样含水率与干燥时间之间的变化规律;揭示了煤样峰值强度与弹性模量随着含水率增加而减小,而粘聚力、内摩擦角、抗剪强度、峰值剪应变等参数随着含水率增加呈现不同程度增加的变化规律,确定了工作面煤壁合理含水率;研究了不同含水率煤样的塑性区发育情况,验证了“三软”厚煤层煤壁注水防片帮的有效性。(4)基于水对煤体力学性质和含水率与煤体塑性区发育的影响规律,提出了煤壁浅孔动压注水技术来实现煤壁稳定控制,并进行了注水设备的选型、注水参数与注水工艺的设计;验证了注水参数理论值与工作面含水率的合理性;采用煤壁浅孔动压注水技术后,工作面煤壁片帮深度降低至0.4 m,片帮长度减少50%,工作面开机率提高38.7%,月推进度提高60 m,月产量提高26.53 kt,创造经济效益高达316.26万元/月,减少了工人支护次数和劳动强度,技术、经济和社会效益显著。
【图文】：

原始水分,煤样

1）测定设备101-2S 型电热恒温鼓风干燥箱，精确度为 0.01 g 的电子天平。2）测定方法根据《煤和岩石物理力学性质测定方法》（GB/T 23561.7-2009）对芦岭矿Ⅱ883-1顶分层综采工作面的上、中、下三个区域的煤样分别进行原始水分测定，利用电子天平称取一定质量的煤样约 300 g，将其放入小钢碗中，称取煤样与小钢碗的总质量后，将二者一并放入温度设置为 100 ℃的电热恒温鼓风干燥箱内，如图 3-3 所示。每隔一段时间将二者取出并称重，待二者质量之和在较长时间内保持不变时，认为此时煤样的含水率为 0，然后根据式（3-1）计算煤样的原始含水率。100%b abm mm （3-1）式中：煤样含水率，%；bm 干燥前煤样的质量，g；am 干燥后煤样的质量，g。

煤样,型煤,配水,颗粒

备含水率煤样的物理力学参数的变化规律，首先应根据试验为了更好的反映煤体的原有力学性质，最佳的煤样制作方利用实验室钻孔机进行钻孔取样，但由于芦岭矿Ⅱ883-1工3，，全层极软、易破碎，采回完整煤块较困难。针对此种特设备对从现场工作面取回的松散煤样分别进行干燥、筛选整型煤，再对型煤分别进行不同含水率条件下的单轴压缩程度上改变了工作面煤体的真实力学结构特性，但试验结的物理化学作用规律，对于揭示煤层注水防片帮的机理具型煤制作的具体过程如下：燥与筛选控制煤样的含水率，首先将现场煤样放入 100 ℃的干燥箱水率为 0，再采用 1 mm 分级筛对烘干煤样进行颗粒筛选然后直接进行筛选，筛选过程如图 3-4 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD823;TD323

【参考文献】