厚煤层综放开采的降载减冲原理及其工程实践

发布时间：2017-08-01 20:01

  本文关键词：厚煤层综放开采的降载减冲原理及其工程实践

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【摘要】：冲击矿压是典型的煤岩动力灾害之一,随开采强度增大,厚煤层的冲击频次更高、致灾程度更严重,常造成巷道与采场的瞬间大变形甚至闭合,因此急需解决厚煤层开采的冲击灾害防治问题。目前我国已进行了利用综放开采减弱厚煤层冲击显现的相关工程实践,取得一定效果,但未能消除厚煤层冲击,尚缺乏对综放开采防冲原理这一基础科学问题的系统研究。为此,论文综合采用调研、理论分析、力学试验、数值模拟试验及工程实践等方法,开展了厚煤层综放开采的降载减冲原理研究。调研分析了厚煤层综放与分层综采的冲击显现特征。结果显示,与分层综采相比,综放的百万吨冲击频次较低、工作面冲击所占比例较低、冲击破坏范围较小、冲击破坏程度较轻、巷道冲击起始位置由工作面端头变为超前端头一段距离,但综放和分层综采均以临空巷冲击占多数,且主要表现为底鼓。开展了煤样超强度受载冲击破坏的试验研究,揭示了围岩对煤层的超强度加载作用及方式,建立了煤体超强度冲击模型及准则。试验结果表明,试验机刚度较小、载荷控制加载、位移控制高速率加载可造成试样的超强度受载冲击破坏;围岩对煤层具有超强度加载作用,可使其动力破坏,超强度加载方式包含3种,即煤体应变软化发展至围岩刚度小于煤层刚度、覆岩破断或局部破坏产生矿震引起瞬间动载扰动、采动或局部破坏造成煤体围压瞬间降低导致其强度瞬间降低;易于煤体冲击的条件为较小的破裂区范围、较高的支承压力、较高的应力梯度、较陡的煤体峰后强度降、较强的动载扰动等。研究揭示了综放开采的覆岩结构特征及其对煤层超强度受载的影响。综放的低位关键层破断及形成的结构一般包含砌体梁式和悬臂梁式两类,而综采下一般为砌体梁式,两种方式下岩层破断步距之比为(0.632~0.577)/1、释放能量之比为(0.860~0.813)/1,破断步距和能量释放均随采厚的增大而增大,因此综放的关键层破断导致的动载源较强烈,但综放对动载传播的衰减较大;综放覆岩结构对静载集中的降低作用较明显,造成应力集中程度降低、范围增大、应力峰值更深入煤体,如模拟结果显示采厚由3 m增加至20 m时应力集中系数由1.97~2.04降至1.44~1.60。综放的动载扰动诱冲作用更显著。提出了厚煤层综放开采的降载减冲原理,指出综放开采可降低冲击危险但不能消除冲击。随采厚增加,静载集中先快速降低再缓慢降低并最终趋于稳定,动载先缓慢升高并当采厚增至一定值时出现台阶升高。因此,厚煤层防冲应优选综放采煤法,通过增加采厚来降低静载集中,但采厚有合理上限,模拟结果显示可以是11~13 m;此外,通过实施人工断顶措施来弱化动载扰动,进一步降低冲击危险。给出了断顶步距的确定公式,目标为避免产生104 J的矿震。研究成果在兴安煤矿进行了工程实践,减冲效果显著。
【关键词】：冲击矿压 厚煤层 综放开采 超强度加载 动载扰动 覆岩结构
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD324;TD823.253
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• Extended Abstract8-25
• 1 绪论25-33
• 1.1 研究背景及意义25-27
• 1.2 国内外研究现状27-31
• 1.3 主要研究内容与方法31-33
• 2 厚煤层开采冲击显现特征与冲击因素分析33-51
• 2.1 综放与综采的冲击显现特征33-42
• 2.2 综放与综采的冲击因素分析42-50
• 2.3 小结50-51
• 3 煤样超强度受载冲击破坏试验研究51-78
• 3.1 试验目的、内容与方案51-54
• 3.2 煤样冲击破坏规律分析54-67
• 3.3 煤样超强度受载冲击破坏机制67-76
• 3.4 小结76-78
• 4 围岩对厚煤层的超强度加载诱冲机理78-94
• 4.1 煤岩三轴压缩试验的强度与变形特征78-81
• 4.2 围岩的动静载特征与煤体强度分布规律81-87
• 4.3 煤岩体内能量积聚与释放特征87-89
• 4.4 围岩对煤体的超强度加载诱冲模型及准则89-93
• 4.5 小结93-94
• 5 综放开采覆岩结构特征及对煤层超强度受载的影响94-113
• 5.1 采场覆岩运动一般规律及其导致的动静加载作用94-95
• 5.2 综放开采覆岩破断运动及其导致的动载源特征95-98
• 5.3 综放开采覆岩结构形式及其对动静载的作用98-101
• 5.4 综放开采对防冲的作用101-105
• 5.5 覆岩结构发育高度105-111
• 5.6 小结111-113
• 6 综放开采的动载扰动与静载演化规律113-155
• 6.1 综放开采覆岩破断步距与能量释放规律113-126
• 6.2 综放开采覆岩破断施加煤体动载扰动规律126-131
• 6.3 综放开采基础静载应力分布的数值模拟研究131-142
• 6.4 综放开采静载应力演化规律的数值模拟研究142-152
• 6.5 小结152-155
• 7 厚煤层综放开采降载减冲的工程实践155-169
• 7.1 综放开采冲击矿压防控原理155-157
• 7.2 兴安煤矿综放开采防冲实践157-167
• 7.3 小结167-169
• 8 结论与展望169-173
• 8.1 研究结论169-171
• 8.2 创新点171
• 8.3 研究展望171-173
• 参考文献173-184
• 作者简历184-188
• 学位论文数据集188

【参考文献】

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本文编号：605922