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            近距离煤层采空区下工作面矿压规律研究

            来源: www.zsalud.com 作者:lgg 发布时间:2015-09-05 11:50 论文字数:39658字
            论文编号: sb2015083011443114462 论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文 论文价格: 150
            本文是工程论文,本文以山西朔州山阴县南阳坡煤矿为研究背景,在理论研究的基础上,借助实验室力学测试、FLAC3d数值计算及现场实测相结合的方法对其近距寓煤层开釆时的侧向支承压力分布

            1绪论


            1.1选题背景和意义
            煤炭能源是工业发展的基础,能源的不断增长对于国民经济的发展至关重要。作为我国的最主要能源,煤炭在一次能源消费结构中所占比例为68.7%,2009年我国煤炭开釆量为30.5亿吨,2012年开釆量达到37亿吨,根据《煤炭工业发展“十二五”规划》,煤炭产量在2015年预计达到40亿吨。有关专家预测,到2020年,我国煤炭需求量仍在30亿吨以上,2050年煤炭在能源消费结构中旳比重仍将保持在60%左右。因此合理的开发、利用煤炭资源,是推动国民经济、促进可持续发展的关键。近距离煤层在我国赋存较多,已探明可釆储量约占我国煤炭总量的43%。近些年煤矿综合机械化、自动化的快速发展导致一些矿区的大量优质、易釆煤层资源接近枯竭,越来越多的人开始关注近距离煤层的开采,其矿压显现特征也不同与以往的单一煤层开釆。煤层赋存条件迥异取决于成煤条件的不同,在煤炭的形成过程中,其厚度从零点几米到几十米,可釆层数从一层到十几层区别较大,相邻煤层层间距、煤层顶底板岩性及煤岩层倾角更是复杂多变。在我国,多数煤田均含有多层距离比较近的可采或局部可釆的煤层群,其中贵州省绝大部分矿区、新汶矿区、平顶山矿区、淮南矿区、大同矿区以及神东矿区等都存在近距离煤层开釆问题。针对煤层赋存条件的复杂多样性问题,如何在不同的幵釆环境下采取相适应的开采技术措施来提高煤炭资源回收率,实现矿井的安全高效生产,一直是煤炭行业关心的重要问题。对于近距离煤层开采而言,煤层间距离越小,上下煤层开釆的相互影响比较大。近距离煤层同采过程中,下位煤层工作面滞后上位煤层回采,上位煤层釆动引起层间岩层支承压力变化对下位煤层产生重要影响,层间岩层作为两层煤的承载体,其应力分布及破坏规律成为近距离煤层开采的关键要素。
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            1.2国内外研究现状
            矿山压力显现归根究底是由覆岩的运动引起的,煤炭在地下经过上百万年的演变与周围岩层达到一种平衡状态,随着煤炭的不断幵采,地下原有的平衡被打破,岩层不断向采空区移动将导致新的问题出现。如顶板冒顶会危及井下工人的生命安全;釆动裂隙发育会贯通上下工作面,引起瓦斯突出和透水事故的发生;由于回采煤炭产生的地表沉陷对建筑物和田地造成了严重的破坏。因此,研究采动引起的覆岩移动规律至关重要。按照岩体形态分类,专家学者们将回采工作面前后分为“横三区”、“竖三带”: 即沿工作面走向将上覆岩层划分为重新压实区、离层区和煤壁支承区三部分,由下向上将上覆岩层划分为跨落带、裂缝带及弯曲下沉带。1928年德国人哈克(W.Hack)和吉利策尔(GGillitzer)共同提出压力拱假说[4]。他们认为在采场回采工作面上方会形成压力拱,此拱随着工作面的不断推进不断前移,其中前拱角在工作面前方煤体内部形成,后拱角在釆空区跨落奸石上,且两拱角区域均为应力增高区,工作面区域则为应力降低区。压力拱假说解释了回采工作面围岩的卸压问题,但未分析上覆岩层移动、变形的过程和支架-围岩间的相互关系。1916年德国的施托克(K.Stoke)提出了悬臂梁假说,认为回釆空间上方的顶板可看作是一端固定在岩体内,另一端处于悬空状态的梁,随着工作面的不断向前推进,悬伸的梁的回转下沉并出现有规律的折断,引起周期来压现象。该假说对近煤壁处顶板下沉量小、支架载荷小的现象进行了途释,但其本身计算所得的数据与现场实测相差较大。
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            2近距离煤层上层煤底板破坏分析


            2.1工程概况
            中煤金海洋南阳坡煤矿位于山西省朔州市山阴县马营乡山峡村北侧,距山阴县城约35km,是一个重组整合后的矿井,该井田为不规则梯形,东西走向长约3002m,南北走向宽约1330m,总面积3.9941km2,该矿井所处的区域为黄土覆盖在起伏丘陵上而形成的低山丘陵带。受区域构造影响,该井田总体为向东北走向,向西北倾斜的单斜构造,地层比较平缓,倾角一般1-3°。另外,根据南阳坡煤矿已揭露和地表露头资料,在井田的南部区域有2条正断层,分别如下:①F1正断层位于井田南部,断层走向N80°E,倾向S,根据已开拓巷道揭露,露头处落差29m,向东落差逐渐变小,为5ni左右,走向延伸长度约2300in。②F2正断层位于井田南部,n正断层南侧,与F1正断层平行发育,根据已开拓巷道揭露,落差在5-15ni范围之间,走向延伸长度约2300in。综上所述,在已发现2条较大正断层的井田内,并未发现陷落柱等其他复杂构造,也无岩装岩侵入,整体属于简单类构造。
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            2.2煤岩物理力学测试
            煤岩体各项材料的物理力学性质是区段煤柱宽度、围岩稳定性以及顺槽支护设计的重要参考因素,通过现场取样对南阳坡煤矿煤及其顶底板进行力学测试,内容主要包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、内聚力等相关参数,如图5所示,采用RMT试验机、试件取芯机和端面打磨机。进行煤岩体力学性质试验前,经过取芯机和磨石机的处理,将煤岩样加工成一定规格、符合试验条件的标准试件,再用可控制加载速度的RMT试验机依次对试件测试,并输出高精度破裂过程曲线,如应力-应变曲线、应力-时间曲线、应变-时间曲线等。煤岩体力学参数测试结果见表1所示。
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            3基于数值计算的近距离煤层侧向应力分布规律........ 25
            3.1软件介绍........ 25
            3.2模型的建立与模拟过程........ 26
            3.3侧向应力模拟结果分析........ 28
            3.4煤柱模拟结果分析........ 35
            3.5小结........ 41
            4基于现场实测的近距离煤层侧向应力分布规........ 43
            4.1 KJ550煤矿冲击地压监测系统功能........ 43
            4.2仪器安装与观测方案........ 44
            4.3观测结果分析 ........48
            4.4小结........50
            5下煤层巷道围岩稳定性分类及巷道合理支护设计........ 51
            5.1围岩稳定性分类........ 51
            5.2合理支护设计........ 58
            5.3小结........ 63


            5下煤层巷道围岩稳定性分类及巷道合理支炉设计


            5.1围岩稳定性分类
            直接顶为位于煤层之上的一层或几层性质相近的岩层。通常由具有一定稳定性的且易随工作面回柱放顶而垮落的泥质页岩、粉砂岩、砂质页岩等不稳定岩层组成。对直接顶厚度的认识有以下两方面:①在不同的开釆阶段,直接顶的厚度各不相同,在老顶初次来压前其厚度较小,正常推进过程中增大到约为2倍采厚的稳定值;②按其运动特性的差异将直接顶分为上位直接顶和下位直接顶两部分。由于断裂后回转空间大,下位直接顶冒落后成为不规则跨落带,而上位直接顶岩层断裂后回转空间小,冒落形态为规则跨落带。现场实测和模拟结果还表明,只有当煤和垮落奸石充填满整个釆空区后,覆岩的不规则湾落才终止。在综放釆场中,整个回采是一个动态过程,在此期间直接顶的厚度是不断改变的,即老顶的厚度与位态也是随之变化的。为了更好地管理回釆巷道的顶板,选取合适的支护方案以及确定液压支架的支护强度,有必要提高巷道围岩的稳定性。根据原煤炭工业部颁发的缓倾斜煤层顶板分类方案,按其在开采过程中表现稳定程度对直接顶进行划分,可分为4类,其中,1类、2类直接顶,可根据需要分为2个亚类,其具体指标见表3,表中r,为直接顶初次跨落步距。

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            结论


            (1)运用弹塑性和滑移线场理论进行分析,推导出近距离开釆下层煤顶板的损伤破坏范围,计算出最大屈服破坏深度I为12m,煤壁塑性区宽度为13.1m,为分析下煤层开采时的覆岩结构提供依据。
            (2) 4105运输顺槽变形受3_2煤开采支承高压力、区段煤柱尺寸不合理造成的侧向压力影响,故将4107回风顺槽的区段煤柱从46m改为38m,能够有效降低3_2煤开釆支承高压力影响,3_2煤开釆对下煤层压力传递角为45°,支承压力增高区域传递角为31°,优化下层煤4107综放工作面进风顺槽在原设计位置外移6m布置,更有利于巷道的安全维护。
            (3)基于煤矿冲击地压实时监测系统,实现了监测煤体内不同深度的应力值,得出3_2煤侧向支承压力峰值位于12m?17m之间,应力峰值为12.5MPa,应力集中系数为2.5,4—1煤侧向支承压力峰值位于17m?22m之间,煤工作面应力峰值滞后4.1煤应力峰值出现,且老顶侧向断裂位置在12-17m,工作面推进到断裂位置附近时应加强超前支护段和工作面的支护。
            (4)采用岩层质量指数与结构稳定性指数对下层煤巷道围岩稳定性进行分类,经计算可得,4105综放工作面老顶等级为I级,老顶来压显现不明显。由于4105运输顺槽受构造影响、上煤层开采集中应力影响时,导致高应力时:整体类别为III类,属于中等稳定;
            (5)通过计算“顶煤+直接顶岩层+跨落带岩层”结构的支架载荷,得出下层煤综放支架合理工作阻力应不小于9690KN,为合理的支架选型提供参考;同时对巷道支护设计进行了优化,增加了非稳定围岩阶段支护方式:非稳定围岩阶段界定是顶板下沉超过300mm,该阶段在过构造或巷道位置与3煤采场错距不合理造成压力集中时,该种情况采用架棚补强支护,棚距不大于lm,棚梁与棚腿材料均不低于11#工字钢强度。现场观测表明,对巷道进行优化支护设计后,巷道围岩变形量变小,锚杆、锚索均能完成对煤的锚固作用,能够保证回釆巷道的稳定性。
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            参考文献(略)


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