浅埋煤层开采双巷布置煤柱上覆岩层结构分析与合理宽度研究

发布时间：2020-08-11 07:44

【摘要】：我国西部地区浅埋煤层主要采用双巷布置留设宽煤柱(大于20m小于30m)护巷的方式,宽煤柱在保证安全回采的同时造成了煤炭资源的大量浪费,如何确定煤柱的合理宽度是亟需解决的问题,解决问题的决定性因素是对煤柱上方覆岩结构的分析研究。本文以浅埋煤层煤柱及其上覆岩层结构为研究对象,结合冯家塔煤矿的工程实践,采用理论分析、数值模拟以及现场实测等方法,分析了浅埋煤层开采后煤柱上覆岩层空间结构,研究了护巷煤柱的合理宽度。主要研究成果如下:(1)基于关键层判别理论,确定了冯家塔3203工作面附近的覆岩主关键层以及亚关键层。基于砌体梁“S-R”稳定理论,对冯家塔煤矿3203工作面上覆基岩结构失稳进行判别,亚关键层基岩结构不会发生回转失稳,发生滑落失稳,主关键层基岩不发生回转失稳形成稳定的砌体梁结构,煤柱上方覆岩结构空间形成了小“F”结构。浅埋煤层开采后,基于上覆岩层空间结构对煤柱稳定性的主要影响因素,将其分为主关键层悬臂梁结构(大“F”结构)和多层顶板组合“悬臂-铰接梁”结构(小“F”结构),并采用数值模拟的方法,研究了这两种结构对煤层底板和煤柱内应力分布规律以及顶板移动规律。(2)通过分析顶板悬臂梁结构(大“F”结构)的力学模型,得出浅埋煤层顶板厚度越小,形成顶板悬臂梁结构的延伸长度越短,顶板上覆载荷越小,由顶板传递至煤柱的载荷就越小,煤柱内应力集中现象越不明显,煤柱的稳定性越好,越有利于回采巷道的维护。分析了多层顶板“悬臂-铰接梁”(小“F”结构)之间的力学关系,推导了煤柱保持稳定所需承受支承载荷的计算公式,得出煤柱内控制上覆岩层的支承应力主要包括三个部分:(a)煤柱上方形成悬臂梁直接顶岩层的块体重量;(b)煤柱上覆岩层各个分层间的作用力;(c)顶板关键层块体之间由于相互挤压与摩擦产生的相互作用力。(3)基于煤柱上方多层“悬臂-铰接梁”结构力学模型,通过计算得到冯家塔3203工作面煤柱内控制上覆岩层的支承应力为6.21MPa,得出煤柱宽度大于等于7.82m。根据对煤柱上覆岩层空间结构的分析,在数值计算模型关键层与其下部相邻岩层间建立了节理面,改进了传统的数值计算模型,使其更贴近工程实践。采用数值模拟计算的方法,分析了在双巷掘进期间、一次采动期间以及二次采动期间的煤柱稳定性、回采巷道围岩应力分布规律以及弹塑性区分布规律,得出了煤柱合理宽度应为12.5m。(4)以冯家塔煤矿3203工作面为地质背景,进行了工业性试验。基于改进后的数值计算模型,采用数值模拟的方法,分析了3203工作面辅运巷与运输巷的支护参数对巷道围岩的控制效果,确定了最终支护方案。对3203辅运巷以及3203运输巷进行了监测,并对锚杆液压枕监测数据、测力锚杆监测数据、巷道围岩监测数据以及钻孔窥视数据进行了分析研究,结果表明,基于本文研究成果所确定的煤柱宽度可以保证工作面安全高效的回采,对其他相似地质条件煤柱的确定具有指导作用。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD325
【图文】：

分布图,煤炭资源,分布图,煤柱

1 绪论1 绪论1 Introduction1.1 研究背景（Research Background）随着我国西部地区煤炭储量的探明，开发建设利用西部地区的煤炭资源将为我国“两个百年”战略目标奠定良好的能源基础。我国西部地区浅埋煤层主要采用双巷同时掘进宽煤柱（约为 20m）护巷的方式，宽煤柱在保证安全回采的同时造成了煤炭资源的大量浪费，因此，煤柱上方覆岩结构的分析及其合理宽度的研究对解决此类问题具有重要的意义。本文以陕北府谷矿区为工程背景进行研究府谷矿区位于陕西省府谷县城北的高石崖—段寨之间，紧邻黄河西岸，矿区北以黄河为界，南至府谷县城，东至黄河西岸，西至墙头—高石崖挠褶带的东边界矿区南北长 35km，东西宽 6～8km，面积约 261.5km2。其煤田为陕北石炭二叠纪煤田。

采空区上方,裂隙,地表,煤层

图 1-2 采空区上方地表裂隙Figure 1-2 Surface Fissures above Goaf冯家塔煤矿位于陕西省榆林市府谷县，井田南北长约 9km，东西宽约 7k面积约 59.5km2，主要含煤地层为鄂尔多斯盆地东缘的石炭-二叠纪山西组和太组，地质储量 11 亿 t，可采储量约 5 亿 t。矿井现采用长壁采煤法主采 2 号煤和 4 号煤层，设计生产能力为 6Mt/a，服务年限为 59.6 年。井田地表基本被第系松散沉积物覆盖，地表海拔标高+825.0～+1116.3m，2 号煤层海拔标高+705.3+969.6m，埋深约 120～220m，平均厚度 3.29m，煤层一般含 2 层夹矸，局部

结构分类,关键层,浅埋煤层

浅埋煤层在我国山西、陕西、内蒙等地区均有分布，该地质条件下煤炭资源储量大，尤其是陕北石炭二叠纪煤田煤炭资源量 1190 亿吨，约占陕西省煤炭资源总量的 28.7%；累计探明储量 58.3 亿吨，已利用 4.5 亿吨，尚未利用 53.8 亿吨。煤田地质结构较复杂，勘探程度较低。国内众多学者以浅埋煤层工作面回采为背景，其上覆岩层的空间结构，裂隙发育规律、随工作面回采的运动规律、失稳条件、破断规律等方面做了大量研究工作。石平五、侯忠杰等[1-5]基于浅埋煤层覆岩的破断规律，得出了控制顶板的关键性条件，并研究了不同的基岩厚度、不同的工作面采高以及不同的工作面回采速度对浅埋煤层上覆岩层活动的影响规律；在浅埋煤层的地质条件下，基于关键层理论，得到了工作面覆岩结构为组合关键层时，工作面回采的周期来压和初次来压步距的计算公式；研究了地表松散层厚度对组合关键层岩柱稳定性的作用，得出浅埋煤层覆岩的破坏形式为全厚度沿煤壁的台阶切落。许家林等[6-8]将浅埋煤层覆岩关键层结构分为以两类下四种，其中又归为多层关键层以及单一关键层两类。

【参考文献】