近距离巨厚坚硬岩层下厚煤层开采顶板的破断失稳机理及控制研究

发布时间：2020-09-29 19:51

　　 我国近距离赋存厚硬岩层的煤炭资源储量丰富,由于该条件下覆岩破断失稳易于产生工作面强矿压显现,影响工作面的安全生产,因此迫切需要对覆岩活动规律、失稳机理及其控制进行系统研究。本文以朱仙庄煤矿近距离赋存厚硬岩层下厚煤层综放开采为工程背景,综合运用现场调研、理论分析、物理模拟和数值模拟等方法,对厚硬岩层物理力学特性、破断特征、垮落运移规律、顶板结构特征和支架-围岩相互作用特征进行系统研究,提出基于厚硬岩层预控制的分区域顶板协同控制方法和技术。论文研究取得如下成果。(1)建立了近距离赋存厚硬岩层破断的厚板力学模型,揭示了近距离赋存厚硬岩层在大尺度开采空间条件下的“整层断裂”、“整体垮落”的破断失稳特征和垮落运移规律,得出了其断裂失稳的力学条件。基于不同顶板赋存条件的进行了工作面不同矿压强度分区,明确了易发生强矿压显现的顶板条件和回采区域。(2)研究了厚硬岩层位移变化规律、应力场演化规律和能量耗散机制,探讨了厚硬岩层厚度、开采尺度和直接顶厚度等对厚硬岩层稳定性的影响规律,提出了基于能量原理的失稳判据和控制原则。(3)建立了基于直接顶厚度变化条件下的巨厚坚硬岩层与支架相互作用关系力学模型,分析了近距离赋存巨厚坚硬岩层与支架相互作用关系特点,推导出了该条件下支架支护阻力计算公式。(4)结合朱仙庄煤矿近距离赋存巨厚坚硬岩层条件,提出了基于厚硬岩层预控制的分区域顶板协同控制方法和技术。建立了以厚硬岩层顶板深孔承压爆破弱化预控制为前提,支架合理选型为中心的顶板协同控制体系,为近距离赋存巨厚坚硬岩层下厚煤层安全高效开采提供了保障。研究成果对于类似条件煤层的安全高效开采具有重要现实意义和理论价值。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD327.2
【部分图文】：

鲍店 103上02粉细砂岩 15690～2005.84 150 87.7~12二号煤矿 岩浆岩12225～1806.78 376 49.3跃进 23110 砾岩 180~550 8 64 55~6华丰 1405 砾岩 500~600 4.5 150 58.9~7石节 217 砾岩300234～3508.97 150~200

间加大逐渐断裂垮落、出现离层；当推进距离一定时，巨厚岩浆岩上表面边缘中点发生拉破坏；随推进距离进一步增大，巨厚岩浆岩中面长边中心点处发生剪破坏，随后上表面中点处岩体产生拉破裂，并向四周扩展，最后中面短边中心点由于剪切作用发生破坏。当工作面宽度加大时，开始出现破裂的工作面推进长度减小。文献[39]分析工作面开采覆岩结构、平衡条件和支架参数选取关系，认为采场围岩是大结构、采场支护是小结构，研究支架参数是为了使小结构更好适应大结构；工作面覆岩“三带”中冒落带矸石可近似为“散体”不形成结构有力学联系，裂隙带岩层间有离层裂隙发育，说明断裂后岩块间啮合形成力的平衡，即砌体梁结构；对砌体梁结构平衡条件分析，①岩块厚度应大于岩块下沉高度，②当 时，无法啮合平衡；当 0 ， 90 时，平衡条件为 R （ 0 .8～0.9）F；当 为负值，岩块易平衡， R / F tan( )，上式中 是破断角， 是破断角余角， F 是水平挤压力，R 是F 滑移后垂直分力。认为在计算支架工作阻力等参数时，加载在支架上载荷有直接顶岩层的重量，裂隙带岩层不能平衡作用在支架上作用力以及支架附加作用力。

间加大逐渐断裂垮落、出现离层；当推进距离一定时，巨厚岩浆岩上表面边缘中点发生拉破坏；随推进距离进一步增大，巨厚岩浆岩中面长边中心点处发生剪破坏，随后上表面中点处岩体产生拉破裂，并向四周扩展，最后中面短边中心点由于剪切作用发生破坏。当工作面宽度加大时，开始出现破裂的工作面推进长度减小。文献[39]分析工作面开采覆岩结构、平衡条件和支架参数选取关系，认为采场围岩是大结构、采场支护是小结构，研究支架参数是为了使小结构更好适应大结构；工作面覆岩“三带”中冒落带矸石可近似为“散体”不形成结构有力学联系，裂隙带岩层间有离层裂隙发育，说明断裂后岩块间啮合形成力的平衡，即砌体梁结构；对砌体梁结构平衡条件分析，①岩块厚度应大于岩块下沉高度，②当 时，无法啮合平衡；当 0 ， 90 时，平衡条件为 R （ 0 .8～0.9）F；当 为负值，岩块易平衡， R / F tan( )，上式中 是破断角， 是破断角余角， F 是水平挤压力，R 是F 滑移后垂直分力。认为在计算支架工作阻力等参数时，加载在支架上载荷有直接顶岩层的重量，裂隙带岩层不能平衡作用在支架上作用力以及支架附加作用力。

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王家臣;王兆会;;高强度开采工作面顶板动载冲击效应分析[J];岩石力学与工程学报;2015年S2期

2 武泉森;蒋金泉;张培鹏;王普;;巨厚坚硬岩浆岩不同配比的模型试验研究[J];煤矿开采;2015年03期

3 司亮;徐学锋;庞龙龙;张浩;李正可;顾树圣;;巨厚上覆砾岩厚度对采动围岩应力演化影响规律数值模拟研究[J];煤矿开采;2015年03期

4 姚顺利;孟广峰;张胜泉;梁开山;程刚;;巨厚岩层稳定性与冲击地压防治关系研究[J];煤矿安全;2015年05期

5 姜福兴;姚顺利;魏全德;王富奇;郝迎格;王英德;冯宇;;重复采动引发矿震的机理探讨及灾害控制[J];采矿与安全工程学报;2015年03期

6 杨敬轩;刘长友;于斌;吴锋锋;;Calculation and analysis of stress in strata under gob pillars[J];Journal of Central South University;2015年03期

7 蒋金泉;张培鹏;潘立友;陈理强;李付臣;;重复采动下上覆高位巨厚岩层微震分布特征研究[J];煤炭科学技术;2015年01期

8 刘长友;杨敬轩;于斌;吴锋锋;;覆岩多层坚硬顶板条件下特厚煤层综放工作面支架阻力确定[J];采矿与安全工程学报;2015年01期

9 Ben Abdelghani Farouk;Aubertin Michel;Simon Richard;Therrien René;;Numerical simulations of water flow and contaminants transport near mining wastes disposed in a fractured rock mass[J];International Journal of Mining Science and Technology;2015年01期

10 Wang Fangtian;Zhang Cun;Zhang Xiaogang;Song Qi;;Overlying strata movement rules and safety mining technology for the shallow depth seam proximity beneath a room mining goaf[J];International Journal of Mining Science and Technology;2015年01期

相关博士学位论文 前8条

1 李学龙;裂隙煤岩动态破裂行为与冲击失稳机制研究[D];中国矿业大学;2017年

2 魏全德;巨厚砾岩下特厚煤层冲击地压发生机理及防治研究[D];北京科技大学;2015年

3 杨敬轩;安全高效能坚硬煤岩承压式爆破控制机理及试验分析[D];中国矿业大学;2015年

4 周楠;固体充填防治坚硬顶板动力灾害机理研究[D];中国矿业大学;2014年

5 罗吉安;巨厚火成岩下煤巷冲击地压机理及防治技术研究[D];中国矿业大学;2013年

6 罗文柯;上覆巨厚火成岩下煤与瓦斯突出灾害危险性评估与防治对策研究[D];中南大学;2010年

7 景继东;巨厚砾岩顶板突水机理及防治技术研究[D];山东科技大学;2007年

8 史红;综采放顶煤采场厚层坚硬顶板稳定性分析及应用[D];山东科技大学;2005年

相关硕士学位论文 前5条

1 郝金鹏;陈家沟煤矿特厚煤层综放采场矿压特征及顶煤冒放性研究[D];太原理工大学;2016年

2 张润兵;杨柳煤矿上覆双层厚硬火成岩破断运移规律研究[D];中国矿业大学;2014年

3 段昌晨;厚硬顶板直覆采场覆岩破断及支架工作阻力研究[D];安徽理工大学;2013年

4 谭诚;煤层巨厚坚硬顶板超前深孔爆破强制放顶技术研究[D];安徽理工大学;2011年

5 杜锋;厚松散层薄基岩下综放开采留设防砂煤岩柱研究[D];安徽理工大学;2008年

本文编号：2830180