榆神矿区浅埋高强度开采综采面矿压显现规律及其控制研究

发布时间：2020-05-29 22:04

【摘要】：浅埋煤层的薄基岩、厚松散层赋存特征易导致工作面发生顶板滑落失稳等矿压事故,但其瓦斯低、倾角小、结构简单的赋存特征也为高强度开采提供了条件,目前神东、榆神等矿区存在不少浅埋高强度开采工作面。由于对浅埋高强度开采工作面矿压机理及其控制研究较少,时有顶板滑落失稳事故发生,因此,本文采用理论分析、数值计算、物理相似模拟和现场实践相结合的方法,以榆神矿区凉水井煤矿4-2煤综采面为背景,分析了工作面长度加长和推进速度加快对浅埋综采面覆岩运动和矿压显现特征的影响规律,研究了浅埋高强度开采综采面矿压控制原理与技术,研究成果进一步丰富了煤矿岩层控制理论,主要取得以下创新性成果:(1)基于弹性薄板理论分析了浅埋综采面基本顶弯矩分布规律,得到了加长综采面基本顶在竖向“O-X”断裂后易产生沿倾向方向断裂,使基本顶成为静不定结构。再根据板的内力分配原则和静力平衡理论,得到基本顶稳定性系数与综采面推进距离、工作面长度、基本顶上覆荷载的关系,揭示了浅埋加长综采面易发生顶板滑落失稳的机理。(2)分析了工作面长度对浅埋综采面采场覆岩破断、围岩支承压力分布、煤壁稳定性等矿压显现特征的影响规律,随着工作面长度的增加,覆岩移动破坏程度、顶板下沉量、围岩支承压力峰值、煤壁片帮等矿压显现强度都有不同程度的增大,但当工作面长度增加至一定值后,增幅逐渐减缓并趋于稳定,揭示了浅埋加长综采面来压剧烈、煤壁片帮的发生机理。(3)分析了工作面推进速度对浅埋综采面采场覆岩破断、围岩支承压力分布、煤壁稳定性等矿压显现特征的影响规律,随着工作面推进速度的增加,围岩应力和变形调整不充分,顶板下沉量和煤壁片帮量减小,矿压显现强度降低,但是围岩应力集中系数会增大,当推进速度增加至一定值后,对二者的影响幅度逐渐减缓并趋于稳定。(4)提出了浅埋高强度开采综采面矿压控制机理——减小覆岩势能转化给支撑系统(煤壁和液压支架)的做功量。在综采面初次来压阶段采用预裂爆破顶板技术释放和转化较大覆岩弹性能;在正常回采阶段所选液压支架合理工作阻力和初撑力使覆岩形成稳定承载结构并维持支架-围岩整体系统的稳定性,有效降低了榆神矿区浅埋高强度开采综采面顶板大面积来压、煤壁片帮等矿压显现强度。
【图文】：

路线图,研究技术,路线,综采面

具体内容和技术路线（图 1-1）为：（1）采用理论分析方法分析工作面长度加长对浅埋综采面基本顶断裂形式和稳定性的影响，并且采用数值计算方法分析不同工作面长度下浅埋综采面采场覆岩运动、围岩支承压力分布、煤壁稳定性等矿压显现特征，，得到工作面长度对浅埋综采面矿压显现的影响机理与规律。（2）采用数值计算和物理相似模拟方法分析不同工作面推进速度下采场覆岩运动、围岩支承压力分布、煤壁稳定性等矿压显现特征，得到工作面推进速度对浅埋综采面矿压显现的影响机理与规律。（3）根据浅埋煤层工作面矿压显现机理和特征，结合高强度开采给工作面矿压显现带来的影响效应，对工作面矿压控制机理和技术进行较深入研究，为浅埋高强度开采工作面的安全回采提供技术保障。（4）依据前述提出的“浅埋高强度开采综采面矿压显现规律与控制研究”，针对凉水井煤矿试验工作面的生产地质条件，设计合理的矿压控制技术与参数，并进行现场矿压观测和控制效果评价，增加研究成果的可靠性。

岩石力学实验,粉砂岩

图 2-1 煤与岩石力学实验Figure 2-1 Mechanical experiments of coal and rock01020304050600 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1KNmm力-位移曲线0204060801000 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4KNmm力-位移曲线（a）煤（b）粉砂岩图 2-2 抗压强度实验试样的力-位移曲线Figure 2-2 Stress deformation curve of compressive strength test0246810120 2 4 6 8 10剪应力/MPa正应力/MPa煤样顶板 0.7182 2.5950 0.8759 +0.9206图 2-3 煤与粉砂岩剪切强度试验应力曲线Figure 3-3 Stress curve of shear strength test
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD323;TD355

【参考文献】