晋华宫煤矿煤柱下坚硬顶板工作面大面积冒顶机理及控制研究

发布时间：2020-08-13 05:01

【摘要】：大同矿区是典型的坚硬顶板煤层开采,但由于是煤层群开采,在下层煤的工作面上方往往留有上部煤层的采空区和煤柱,导致下层煤工作面发生坚硬顶板的冒顶事故。论文依据晋华宫矿12#煤层8204工作面开采条件,采用现场实测、理论分析、物理模拟和数值计算相结合,分析了煤层群下行开采过程中,工作面覆岩破断失稳特征、覆岩的运移规律、裂隙场的分布规律及应力场演化过程,揭示坚硬顶板工作面在上部煤柱作用下大面积冒顶力学机理,并据此给出控制大面积冒顶的控制技术,研究结果如下:1)采用现场调研分析,确定坚硬顶板工作面大面积端面冒顶的主要因素为上覆煤层遗留煤柱导致的应力集中,改变了顶板的破坏运动规律。通过理论计算得出晋华宫矿7~#煤层煤柱下集中应力最大影响深度或达80m。2)采用FLAC~(3D)模拟分析了7~#煤层区段煤柱的稳定性及底板影响深度,研究表明,在采动作用下煤柱两侧破坏深度为4m,煤柱未发生大面积破坏,有较好的承载能力;煤柱上应力集中系数为2.9,在煤柱作用范围内的最大垂直应力为15MPa。3)采用物理相似模拟的方法,研究上部煤柱对坚硬顶板采煤工作面覆岩破断的影响,发现坚硬顶板在煤柱集中应力的作用下,直接顶裂隙发育减弱了工作面端面顶板的稳定性,基本顶破断块度减小,形成“短砌体梁”,易于形成沿端面的切顶,从而引发大面积端面冒顶事故。4)采用UDEC数值模拟分析煤柱对坚硬顶板工作面围岩应力、塑性区分布、覆岩破断特征、裂隙场发育规律的影响,得出在煤柱影响的下,各岩层之间的弹性能不断积聚,并在超前支承压力作用下逐步增加,而在老顶(关键层)破断时,则急剧增大,从而诱导工作面产生大范围冒顶。根据上部煤柱作用下坚硬顶板工作面冒顶的力学机理,确定控制大面积冒顶的关键是增大老顶的断裂步距以提高其结构运动的稳定性,并减弱应力集中产生的弹性能积聚,根据现场实际条件,制定了“一掘、二护、三卸压”的综合治理措施。通过对工作面支架的工作阻力的监测表明,该技术方法可以有效的提高老顶结构的稳定性,从而减弱矿压显现程度,有利于对该条件下冒顶的综合治理。
【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】：TD327.2
【图文】：

构造形态,基本构造,矿井,井田

采取分区式开拓。井田总体构造形态从北到南轴向由 NW 转为 NE 的向斜，两翼倾角 3°~12°，两翼发育宽缓呈波状起伏，如图2-1所示。井田东北部主要受青磁窑断层的影响，走向为 NW-NS，井田南部受大同向斜的控制，构造形态与大同向斜相符，地层产状平缓，属近水平地层，东部边缘地带受青磁窑逆断层牵引影响地层倾角变大，甚至直立倒转。全区断裂构造简单，仅在井田河北区东部边缘发育一条断距大于10m 的青磁窑逆断层，对矿井生产影响不大。井下生产中频繁出现的 1～2m 小断层给矿井生产带来一定程度影响，未发现岩浆岩活动，综述井田构造复杂程度属简单类型。图 2-1 矿井基本构造Figure 2-1 Basic structure of the mine

数值模型,煤柱

据晋华宫煤矿地质条件及工作面位置。采用 FLAC3D数值模拟软件采后遗留的区段煤柱的应力分布规律，分析煤柱影响范围的应力分塑性破坏。）研究内容对 7#煤层开采时遗留的区段保护煤柱，通过 FLAC3D数值模拟软件的应力分布规律及煤柱的塑性破坏展开研究，具体研究内容如下：1）模拟当工作面回采结束后作用在煤柱上的应力大小及确定应力2）模拟在工作面回采结束后区段保护煤柱的塑性破坏特性。）模型设计虑工作面开采时岩层移动角对上覆岩层运移规律的影响，在工作界煤柱。根据 7#回采工作面布置结合研究内容确定模型尺寸为 50m，建立起 FALC3D数值模拟计算模型如图 2-4 所示，数值模型500 单元，305444 个节点。

煤柱,塑性破坏

14（c）煤柱范围边缘图 2-5 煤柱塑性破坏特征Figure 2-5 Coal column plastic failure characteristics：当两侧工作面推进结束后，煤柱宽度两侧。煤柱的破坏范围较小，有较好的承载作用。在切破坏，破坏高度 21m。煤柱上方发生少量的深度为 3m。两侧工作面回采结束后，煤，对两侧的工作面的安全推进有较好的保护承压力分布情况

【参考文献】