本文選題：錯(cuò)層位　切入點(diǎn)：煤柱　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：本文充分運(yùn)用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬及FLUENT數(shù)值模擬三種方法對錯(cuò)層位開采保護(hù)層底板巖層的裂隙發(fā)育、卸壓效果及煤與瓦斯共采技術(shù)進(jìn)行了綜合研究,首先對錯(cuò)層位巷道布置進(jìn)行了簡單介紹,在此基礎(chǔ)上對回采工作面的底板破壞機(jī)理與破壞深度展開研究,得到底板破壞深度的計(jì)算方法,并確定應(yīng)力大小是影響底板破壞深度的主要因素之一為了得到應(yīng)力大小,建立彈性薄板力學(xué)模型,結(jié)合關(guān)鍵層理論得到應(yīng)力的計(jì)算方法,進(jìn)一步結(jié)合底板破壞深度的計(jì)算公式,完善了底板破壞深度的計(jì)算公式為：在得到底板破壞深度判定準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,對留煤柱護(hù)巷、沿空掘巷以及無煤柱搭接三種情況的底板破壞進(jìn)行分析,得到三種情況下底板的不同破壞情況。同時(shí),進(jìn)一步對錯(cuò)層位巷道無煤柱搭接工作面的底板破壞深度進(jìn)行修正,得到無煤柱搭接錯(cuò)層位巷道布置接續(xù)工作面開采造成的底板破壞深度為：對公式進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),錯(cuò)層位巷道布置形成搭接工作面的兩端的破壞深部較留煤柱開采工作面兩端的破壞深度大,且相鄰工作面搭接處底板巖層存在一破裂區(qū),錯(cuò)層位相互搭接工作面的兩側(cè)將會(huì)產(chǎn)生比留煤柱要大得多的破裂區(qū)深度,對下伏被保護(hù)層的卸壓有利,且兩側(cè)應(yīng)作為長期瓦斯抽放的區(qū)域。進(jìn)一步結(jié)合錯(cuò)層位的開采特點(diǎn),對于采場的橫向裂隙,首采工作面開采期間,覆巖垮落壓實(shí),形成“I”型圈,接續(xù)工作面開采期間,由于無煤柱,覆巖垮落帶與首采工作面形成一個(gè)整體,隨著工作面開采范圍的增加而逐漸增大,整個(gè)采空區(qū)的形態(tài)表現(xiàn)為“O-L-O”型�？紤]到錯(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)式巷道布置不同于傳統(tǒng)留煤柱開采,因此對留設(shè)不同尺寸護(hù)巷煤柱開采保護(hù)層對被保護(hù)層的卸壓效果進(jìn)行了研究,得到如下幾個(gè)結(jié)論：(1)傳統(tǒng)留煤柱護(hù)巷開采保護(hù)層,煤柱尺寸直接影響到與保護(hù)層對應(yīng)的被保護(hù)層區(qū)域,煤柱中部存在原巖應(yīng)力區(qū)的前提下,被保護(hù)層對應(yīng)存在：原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、部分卸壓區(qū)及充分卸壓區(qū)。(2)在采用錯(cuò)層位巷道布置開采保護(hù)層,由于相鄰工作面之間實(shí)現(xiàn)完全無煤柱搭接,因此多個(gè)相鄰工作面體現(xiàn)出單一工作面特點(diǎn),被保護(hù)層中相應(yīng)位置僅僅存在充分卸壓區(qū),且被保護(hù)層經(jīng)歷多次采動(dòng)影響,卸壓更充分。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合留煤柱護(hù)巷開采保護(hù)層,借鑒突變理論對留煤柱巷煤柱的合理尺寸進(jìn)行公式推導(dǎo),認(rèn)為當(dāng)留設(shè)煤柱的屈服區(qū)超過煤柱的88%就會(huì)有發(fā)生突變的可能性,給出為實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層充分卸壓需要煤柱發(fā)生突變,其臨界寬度公式為：a=|25mξ/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]|同時(shí),由于煤柱的流變特性,即使載荷不再增加,其變形也將隨著時(shí)間而增加,當(dāng)屈服區(qū)范圍不斷增大,最終系統(tǒng)將由穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài),這里取煤柱的穩(wěn)定時(shí)間見如下公式：t=η/ElnE+λ/KdHaL=25mξL/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]η/ElnE+λ/Kdm在此,從實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層充分卸壓的角度出發(fā),確定留設(shè)煤柱發(fā)生突變、破壞對于被保護(hù)層的連續(xù)、充分卸壓有利,給出煤柱留設(shè)的合理尺寸,為了保證生產(chǎn),進(jìn)一步給出煤柱發(fā)生破壞的時(shí)間,同時(shí)給出工作面的合理推進(jìn)速度。由于臨界尺寸煤柱的留設(shè)一方面涉及到受采動(dòng)影響,另一方面關(guān)系到被保護(hù)層的卸壓效果,因此對留設(shè)臨界尺寸開采保護(hù)層的回采方案進(jìn)行優(yōu)化,即采用跳采的開采模式,同時(shí)分析卸壓效果要優(yōu)于傳統(tǒng)煤柱的留設(shè)方案。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對錯(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)式巷道布置開采保護(hù)層的效果進(jìn)行分析,認(rèn)為由于取消區(qū)段護(hù)巷煤柱,首采工作面的卸壓效果與其他兩種方式相同,但接續(xù)工作面開始相當(dāng)于增加了保護(hù)層回采工作面的長度,在提高回采率的同時(shí),卸壓范圍更大、效果更好,因此應(yīng)是最有利的模式。為了進(jìn)一步驗(yàn)證前述研究結(jié)果,采用FLAC3D對錯(cuò)層位巷道布置開采上保護(hù)層的效果進(jìn)行了模擬,同時(shí)為了深入分析其特點(diǎn),補(bǔ)充了留設(shè)5m和15m護(hù)巷煤柱的開采效果進(jìn)行對比,得到如下研究結(jié)論：(1)開采8#煤層作為上保護(hù)層對底板的破壞發(fā)現(xiàn),底板破壞范圍隨著工作面推進(jìn)逐漸增加,但當(dāng)開采達(dá)到一定范圍后,底板垂直破壞深度趨于一定值(12m),而工作面前方實(shí)體煤與切眼一側(cè)底板巖層破壞深度最大(16m)。(2)對8#煤層作為上保護(hù)層開采底板應(yīng)力分布情況來看,錯(cuò)層位無煤柱搭接開采保護(hù)層,對底板的卸壓效果更好,且相鄰工作面之間搭接的部分也實(shí)現(xiàn)卸壓,保證了下伏被保護(hù)層沿傾向的充分、連續(xù)卸壓；而留煤柱正相反,首先影響了采空區(qū)底板巖層不能充分卸壓,且保留的煤柱下方出現(xiàn)應(yīng)力集中,影響到接續(xù)工作面底板的卸壓效果,被保護(hù)層不能實(shí)現(xiàn)充分與連續(xù)卸壓。通過FLAC3D的數(shù)值模擬,認(rèn)為錯(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)式巷道布置對于被保護(hù)層的充分、連續(xù)卸壓更為有利,9#煤層與8#煤層層間距為9m,底板破壞范圍在12-16m,因此認(rèn)為8#煤層作為9#煤層的上保護(hù)層可行。論文中,進(jìn)一步對開采8#煤層的瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯富集特點(diǎn)以及煤與瓦斯共采技術(shù)幾個(gè)方面進(jìn)行研究,得到如下研究結(jié)論：(1)經(jīng)過計(jì)算,得到8#煤層開采過程中,本煤層瓦斯涌出量占67.2%,鄰近層瓦斯涌出量占32.8%。(2)通過對8#煤層開采采空區(qū)瓦斯的富集進(jìn)行FLUENT模擬發(fā)現(xiàn),8#煤層開采過程中,采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀?需要制定瓦斯抽采措施,而特別是距離回風(fēng)巷30-40m的瓦斯?jié)舛容^高,應(yīng)該作為瓦斯抽采的重點(diǎn)區(qū)域；(3)結(jié)合錯(cuò)層位開采8#保護(hù)層采空區(qū)垮落特點(diǎn)以及底板巖層的破壞,提出采用布置地面鉆孔及下伏被保護(hù)層底板巖巷穿層鉆孔上向抽采瓦斯綜合解決錯(cuò)層位巷道布置首采與接續(xù)工作面。論文取得如下創(chuàng)新點(diǎn)：(1)推導(dǎo)了工作面開采底板破壞深度的計(jì)算公式：在得到底板破壞深度判定準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,對留煤柱護(hù)巷、沿空掘巷以及無煤柱搭接三種情況的底板破壞進(jìn)行分析,得到三種情況下底板的不同破壞情況。(2)同時(shí),進(jìn)一步對錯(cuò)層位巷道無煤柱搭接工作面的底板破壞深度進(jìn)行修正,得到無煤柱搭接錯(cuò)層位巷道布置接續(xù)工作面開采造成的底板破壞深度為：分析公式發(fā)現(xiàn),錯(cuò)層位巷道布置形成搭接工作面的兩端的破壞深部較留煤柱開采工作面兩端的破壞深度大,且相鄰工作面搭接處底板巖層存在一破裂區(qū),錯(cuò)層位相互搭接工作面的兩側(cè)將會(huì)產(chǎn)生比留煤柱要大的破裂區(qū)深度,對下伏被保護(hù)層的卸壓有利,且兩側(cè)應(yīng)作為長期瓦斯抽放的區(qū)域。(3)結(jié)合錯(cuò)層位的開采特點(diǎn),對于采場的橫向裂隙,首采工作面開采期間,覆巖垮落壓實(shí),形成“O”型圈,接續(xù)工作面開采期間,由于無煤柱,覆巖垮落帶與首采工作面形成一個(gè)整體,隨著工作面開采范圍的增加而逐漸增大,整個(gè)采空區(qū)的形態(tài)表現(xiàn)為“O-L-O”型。(4)對留設(shè)不同尺寸護(hù)巷煤柱開采保護(hù)層對被保護(hù)層的卸壓效果進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)不同留設(shè)煤柱尺寸對應(yīng)被保護(hù)層相應(yīng)的存在分區(qū)情況,在此基礎(chǔ)上,借鑒突變理論對留煤柱巷煤柱的合理尺寸進(jìn)行公式推導(dǎo),認(rèn)為當(dāng)留設(shè)煤柱的屈服區(qū)超過煤柱的88%就會(huì)有發(fā)生突變的可能性,在此,從實(shí)現(xiàn)被保護(hù)層充分卸壓的角度出發(fā),確定留設(shè)煤柱發(fā)生突變、破壞對于被保護(hù)層的連續(xù)、充分卸壓有利,給出煤柱留設(shè)的合理尺寸,為了保證生產(chǎn),進(jìn)一步給出煤柱發(fā)生破壞的時(shí)間,同時(shí)給出工作面的合理推進(jìn)速度,工作面留設(shè)煤柱的尺寸如下：a]|25mξ/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]|煤柱保持穩(wěn)定的時(shí)間見如下公式：t=η/ElnE+λ/KdHaL=25mξL/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgξ]η/ElnE+λ/Kdm(5)結(jié)合錯(cuò)層位開采8#保護(hù)層采空區(qū)垮落特點(diǎn)以及底板巖層的破壞,提出采用布置地面鉆孔及下伏被保護(hù)層底板巖巷穿層鉆孔上向抽采瓦斯綜合解決錯(cuò)層位形成無煤柱搭接的多個(gè)工作面。本論文對留煤柱以及完全無煤柱開采下伏被保護(hù)層的裂隙發(fā)育、卸壓效果及煤與瓦斯共采體系的建立展開研究,論文通過理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬及FLUENT三種方法得到了錯(cuò)層位開采底板的裂隙發(fā)育特點(diǎn)及卸壓效果,但FLUENT模擬中僅僅給出采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r,尚未結(jié)合瓦斯抽采系統(tǒng)及接續(xù)工作面瓦斯?jié)舛确植颊归_,這將作為下一步的重點(diǎn)工作展開研究。
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【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD712.6

【參考文獻(xiàn)】

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