深部大采高综采工作面煤壁破坏及其控制技术研究

发布时间：2020-07-03 02:05

【摘要】：工作面煤壁的破坏是影响大采高综采开采技术效益发挥的关键因素之一,尤其是在煤层开采不断向深部发展的趋势下,对深部大采高综采工作面煤壁破坏及其控制技术进行研究,具有十分重要的意义。本文以红庆河煤矿3-1煤层埋深582.53~872.67m、可采厚度5.80~8.41m为研究背景,在理论分析基础上,运用Flac3D软件进行数值模拟,对利用大采高综采方法开采深部厚及特厚煤层时的工作面前方支承压力分布及塑性区宽度特征、煤壁破坏性影响因素、液压支架的初撑力和护帮板水平推力大小对煤壁稳定性的影响规律以及控制煤壁稳定性的方法进行了深入研究,得到以下主要结论:(1)煤层开采后,工作面煤壁的原始平衡应力被打破,进行重新分布。根据支承应力峰值的位置,工作面前方可分为弹性区和极限平衡区。通过理论分析,推导了塑性区宽度的估算公式,由该公式可知,工作面煤壁塑性区的宽度与煤层埋深、采高等成正比关系,与支架作用力、煤体与顶底板接触面之间的摩擦系数等成反比关系。此外,利用Flac3D软件进行了数值模拟研究,其结果表明:煤层埋深由600m增加至900m时,工作面前方支承压力的峰值由40MPa增加为53MPa,其应力集中系数由2.67减小为2.36,而工作面塑性区的宽度由6m增加为12m;随着煤层埋深的增加,工作面煤壁前方支承压力的大小和作用范围不断增大,但支承压力均呈现先增大后减小,并逐渐稳定在某一值的变化过程。因此,随着煤层埋深的增加,工作面煤壁的支承压力峰值和塑性区宽度均增大,但峰值的应力集中系数却减小了。(2)对影响煤壁破坏的地质和开采技术因素进行了归纳分析,并设计了正交试验方案,利用Flac3D软件进行数值模拟,基于Drucker-Prager准则计算了工作面煤壁的破坏系数。结果表明:煤层的埋深增大,煤壁的破坏系数也增大;缩小支架合力作用点到煤壁的距离、增大液压支架初撑力、适当降低采高、减小工作面长度可降低煤壁的破坏程度,从而有效防治片帮;工作面煤壁是否发生破坏及其破坏程度决定着片帮是否发生,影响煤壁破坏性因素的主次排序为:埋深支架合力作用点到煤壁距离液压支架初撑力采高工作面长度,从这一排序可以看出,通过人为地调整支架合力作用点到煤壁距离、初撑力和工作面长度可以减小煤壁的破坏程度。红庆河煤矿利用大采高综采方法开采3-1煤层的合理工艺参数为:支架合力作用点到煤壁的距离为2m,液压支架的初撑力12000kN,工作面长度225m。(3)通过建立力学模型与进行数值模拟,研究了液压支架的初撑力和护帮板水平推力对工作面煤壁稳定性的影响规律,表明:支架初撑力从8000kN增加至12000kN时,煤壁前方垂直应力的峰值由44MPa减小为40MPa,但峰值到煤壁的距离并没有发生较大改变,大约为7m,而且煤壁前方煤体的破坏面积由13.95m~2减小为7.44m~2;护帮板水平推力从100kN增加至500kN时,煤壁的水平位移由0.47m减小为0.28m,同时,煤壁前方煤体的破坏面积由7.75m~2减小为4.65m~2。因此,增加液压支架的初撑力和护帮板的水平推力有利于维护煤壁的稳定性,从而降低形成片帮的几率。利用大采高综采开采厚及特厚煤层时,工作面煤壁的控制方法有:提高液压支架的初撑力和工作阻力、增加护帮板的支护力和支护面积、加快工作面推进的速度和改善工作面煤体的强度。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD355
【图文】：

鄂尔多斯西南地区的国家大型煤炭基地内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司，距，年生产能力 1500 万 t。井田南北走向积为 140.759km2，可采煤炭储量约 20围，初期开采 3-11、3-14 两个采区。井田表 2-1 划定井田范围拐点坐标eating the coordinates of the inflection point of m 经度（Y）m 序号 纬度（X7 37374987.06 2 43599114 37392443.43 4 4343556

太原理工大学硕士研究生学位论文2）实验设备：WAW-600 万能试验机。3）试件制备：试样为红庆河煤矿 3-1 煤层及其顶底板岩层，根据室内实验的要与说明，把煤岩试样加工成直径为 50mm、高为 100mm 的圆柱体。4）试验方法：试验过程中的步骤依据 ISRM 标准依次实施。尤其，要根据试样层理分布来加载垂直应力，使二者相互垂直。对试样施加压力的过程如图 2-3 所示。过加载器示数可得到试样的极限破坏值。

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本文编号：2739017