本文選題：厚煤層 + 錯層位外錯式�。� 參考：《中國礦業(yè)大學(北京)》2016年博士論文

【摘要】：論文以斜溝礦13#厚煤層錯層位外錯式沿空掘巷為研究背景,從回采率、巷道圍巖應力分布與穩(wěn)定性、沿空巷道位置以及沿空掘巷支護技術等方面對錯層位外錯式沿空掘巷技術展開研究,論文研究中綜合采用了包括理論分析、室內相似模擬、計算機數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測等研究方法。論文首先從大形勢即煤炭對我國能源的重要性入手,分析了我國煤炭工業(yè)存在的問題。在此基礎上,結合論文研究的重點內容,對沿空掘巷技術與厚煤層一次全高開采的國內外研究現(xiàn)狀進行資料整理與分析。錯層位巷道布置采煤方法能夠實現(xiàn)真正意義的完全無煤柱開采,但長期以來的研究主要集中在內錯式巷道布置,由于其具有分層開采下分層內錯式巷道布置的特點,支護方式只能以被動支護形式為主,影響其巷道的掘進速度以及工作面之間的采掘接續(xù)。因此,為了解決錯層位內錯式巷道布置存在的問題,論文基于錯層位外錯式巷道布置結合沿空掘巷技術展開研究,在此基礎上,確定了論文研究內容、方法與技術路線。1、通過對斜溝礦13#厚煤層錯層位外錯式采煤法在留設13m煤柱時,巷道圍巖變形及煤柱應力進行現(xiàn)場實測,得到如下幾個結論:(1)通過對回采工作面50m和60m處的巷道頂板和60m處的煤幫進行了鉆孔窺視,發(fā)現(xiàn)斜溝礦錯層位外錯式留設13m煤柱時,巷道圍巖結構復雜,巷道支護困難,在鉆孔窺視的基礎上,對巷道圍巖進行了加強支護。(2)通過對斜溝礦外錯式巷道在加強支護后巷道圍巖表面位移現(xiàn)場實測,發(fā)現(xiàn)斜溝礦錯層位外錯式留設13m煤柱時,巷道圍巖變形依然嚴重,且巷道圍巖變形受采動的影響較大。(3)通過對斜溝礦外錯式巷道煤柱支承壓力分布規(guī)律現(xiàn)場實測,發(fā)現(xiàn)煤柱受采動影響較大,采動影響范圍為40m左右,在留設13m煤柱時,煤柱整個范圍內都處于塑性區(qū)。通過對現(xiàn)場實測研究分析發(fā)現(xiàn),斜溝礦13#厚煤層錯層位外錯式采煤法,采用留設13m煤柱開采方案存在一定的不合理性,為此,需要對其進行重新優(yōu)化設計。2、為了確定錯層位外錯式沿空巷道位置,首先須對錯層位起坡段下方三角煤體的穩(wěn)定性展開研究,本部分得到的具體研究成果包括:(1)分析了起坡段對回采率的影響,確定了不同起坡段存在的必要性。在此基礎上,建立了錯層位起坡段下方三角煤體力學模型,采用極限平衡理論對三角煤體寬與高的關系進行了研究,得到了處于極限平衡狀態(tài)起坡段內煤體的承載表達式:e1-同時得到極限平衡區(qū)寬度與三角煤體高度之間的關系:分析公式發(fā)現(xiàn),隨著三角煤體高度的增加,滿足極限平衡的煤柱寬度也同樣隨之增加,僅僅從三角煤體自身力學特性來看,三角起坡段的橫向尺寸滿足極限平衡的要求,也即三角煤體內存在破碎區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū),從而可為區(qū)段煤柱提供側向應力。但實際開采中,受支承應力的影響,會對底板一定深度產生破壞,因此進一步將三角煤體作為底板進行破壞性研究。(2)為了研究確定三角煤體的破壞深度,首先對底板破壞機理進行研究分析,建立其力學模型,通過采用斷裂力學、Griffith準則推導出處于極限狀態(tài)下底板破壞深度h1:由于底板是否發(fā)生破壞的主要影響因素包括應力大小,因此需要進一步確定工作面推進過程中的應力值。(3)將采場上覆關鍵層視為薄板模型,采用彈性薄板力學理論、平面胡克定律以及功的互等定理,對工作面在推進過程中基本頂斷裂前、后基本頂對煤體的影響進行研究,確定其彎矩分布及施加的載荷。在綜合考慮基本頂、直接頂與煤體三者關系的同時,對底板破壞深度進行了研究,得到其表達式為:在此基礎上,確定三角底煤穩(wěn)定性的原則,即通過h1與起坡段高度進行對比,在[3.5m,h1]范圍內的三角煤體均處于破壞狀態(tài),認為不會對工作面間區(qū)段煤柱提供側向應力,[h1,10.5m]則處于彈性狀態(tài),可對區(qū)段煤柱提供側向應力。3、在前述研究的基礎上,重點對錯層位外錯式沿空掘巷實施的關鍵技術展開研究,包括區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的力學研究、巷道位置的選擇與支護技術三個方面,得到的具體研究結論如下:(1)首先對錯層位外錯式沿空掘巷實體煤一側穩(wěn)定性進行研究分析,發(fā)現(xiàn):(1)方案1,由于三角煤體處于完全破壞狀態(tài),因此其對實體煤一側完全沒有側向應力,實體煤一側僅受到巷道支護提供的側向支護阻力Px;方案2與方案3,由于起坡段高度增加,三角煤體可對實體煤一側提供一定的側向應力,理論上認為方案3完全沿煤層頂板布置回采巷道,實體煤承受的側向應力范圍最大,利于接續(xù)工作面開采時區(qū)段煤柱的穩(wěn)定。(2)結合不同三角煤體對實體煤一側支承應力的影響,利用極限平衡理論解得巷幫距煤柱極限強度處的距離為:結合不同起坡方案進行計算分析,得到沿煤層頂板布置回采巷道實體煤一側的穩(wěn)定性最好的結論。(2)在對實體煤穩(wěn)定性研究的基礎上,結合巷道布置圍巖狀態(tài)與應力分布情況發(fā)現(xiàn),錯層位外錯式巷道位置可沿采空區(qū)布置實現(xiàn)完全無煤柱開采,其特點包括:(1)巷道雖然沿著煤層底板布置,但圍巖處于完整與穩(wěn)定的狀態(tài),利于巷道的掘進與維護;(2)受高位煤層的影響,高位煤層處于破壞范圍,且距離接續(xù)工作面相鄰巷道4~5m,接續(xù)工作面相鄰巷道處于低應力范圍內,同樣利于巷道的掘進與維護。(3)接續(xù)工作面上覆煤層存在彈性區(qū),雖然高位煤層屬于破壞區(qū),可在上一工作面相鄰巷道對其巷幫進行加強支護,從而為接續(xù)工作面相鄰巷道采用錨桿-索進行主動支護的實施提供條件。(3)在對沿空巷道位置選擇的基礎上,結合“極限自穩(wěn)平衡拱”理論對支護技術展開研究,得到如下結論:(1)推導出極限自穩(wěn)平衡拱的最大高度:并提出了巷幫的穩(wěn)定性對頂板極限自穩(wěn)平衡拱的高度具有較大影響,不同三角煤體對巷道頂部的支護存在差異。(2)提出了錯層位外錯式“相鄰巷道的聯(lián)合支護技術”方案。發(fā)現(xiàn)錯層位首采工作面運輸巷沿煤層頂板布置,與底板巷道相比,極限自穩(wěn)平衡拱的高度小于沿煤層底板布置的全煤巷道,從理論上認為有利于支護�？紤]接續(xù)工作面相鄰巷道沿運輸巷實體煤幫側布置,兩巷之間在橫向上不存在煤柱,縱向上存在較厚的煤層,因此可對沿煤層頂板布置的運輸巷的實體煤幫進行加強支護,從而為接續(xù)工作面相鄰巷道頂板支護采用錨索的懸吊等理論提供懸吊點,確定運輸巷實體煤幫的支護以錨桿-索為主,采用全段錨固,同時在巷道實體煤幫打兩排4m深孔,進行注漿(固安特),將淺部煤層形成一個整體。(4)最后,結合斜溝礦工程背景進行巷道支護技術分析,得到如下結論:(1)采用錯層位外錯式巷道布置沿空掘巷技術,巷道支護的難點仍在于原巖應力區(qū)全煤巷道,由于煤層較軟且承受原巖應力,其極限自穩(wěn)平衡拱高度較大;(2)錯層位沿煤層頂板布置的巷道由于直接支護的對象是頂板巖層,其力學強度大,因此其穩(wěn)定性好,自穩(wěn)平衡拱的高度較低;(3)錯層位外錯式完全無煤柱沿空掘巷雖然仍是全煤巷道,但其在極限平衡區(qū)下方的彈性實體煤內布置,因此承載較低,其自穩(wěn)平衡拱高度為1.48m,對于采用主動支護方案有利。為了對比,補充了傳統(tǒng)沿煤層底板巷道布置的沿空掘巷方案進行對比,如采用傳統(tǒng)沿煤層底板沿空巷道布置,自穩(wěn)平衡拱的高度為5m。對比分析發(fā)現(xiàn),采用沿煤層底板巷道布置沿空掘巷技術時,采用常規(guī)的錨桿支護無法滿足自穩(wěn)平衡拱的高度,因此只能依賴被動支護或者采用增加錨索的支護密度來保證巷道的穩(wěn)定。4、斜溝礦錯層位外錯式沿空巷道布置室內相似模擬實驗研究(1)首采工作面開采時,隨著傾斜長度的增加,覆巖運動高度、側向支承應力峰值和影響范圍也隨之增加,但實驗中發(fā)現(xiàn),沿空掘巷位置處應變片的應力集中系數(shù)雖然有所增高,但增加幅度較小,且低于原巖應力值,認為受首采工作面的影響較小;(2)隨著接續(xù)工作面傾斜長度增加,其覆巖運動特征與首采工作面相似;煤柱隨著工作面長度增加,逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)槭Х�(wěn),當煤柱尺寸從15m-10m時裂隙大量生成,當煤柱尺寸為8m時,煤柱發(fā)生整體破壞失穩(wěn);(3)接續(xù)工作面開采期間,通過對首采工作面完全沿空掘巷位置處應變片的數(shù)據(jù)收集與整理,發(fā)現(xiàn)其應力有進一步增加的趨勢,但應力值增加較小,其最大應力集中系數(shù)僅為0.45。5、斜溝礦錯層位外錯式沿空掘巷數(shù)值模擬研究(1)綜合分析了不同起坡高度三角煤體的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)隨著起坡高度增加,下方三角煤體的穩(wěn)定性增強,且整體處于應力降低區(qū)。(2)綜合分析了不同起坡高度三角煤體對實體煤側的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)隨著起坡段高度增加,實體煤一側極限平衡區(qū)范圍減小,彈性區(qū)范圍進一步增加。(3)在確定起坡段高度為10.5m對實體煤的穩(wěn)定性最優(yōu)前提下,對不同尺寸煤柱的穩(wěn)定性展開進一步研究,發(fā)現(xiàn)完全沿空掘巷三角煤體一側破壞范圍最小,可實現(xiàn)有效控制巷幫,圍巖應力集中系數(shù)也最小,即對巷道圍巖的支護強度要求最低,同時完全沿空掘巷可通過對上一工作面運輸巷實體煤幫一側加強支護改善圍巖狀態(tài),從而實現(xiàn)錨桿+錨索的主動支護方案。6、斜溝礦錯層位外錯式巷道沿空掘巷支護技術研究結合前述理論分析、相似模擬和數(shù)值模擬研究分析結論,對斜溝礦錯層位外錯式巷道及相應的支護技術方案進行優(yōu)化,提出了將錯層位起坡段高度增加至10.5m、采用錯層位外錯式完全沿空掘巷以及“相鄰巷道的聯(lián)合支護技術”方案,并采用數(shù)值模擬方法進行驗證,優(yōu)化方案提高了煤炭采出率,同時圍巖應力和巷道變形量都有很大程度的下降,達到了優(yōu)化的目的。論文取得以下創(chuàng)新點:(1)采用極限平衡理論對三角煤體寬與高的關系進行了研究,得到了處于極限平衡狀態(tài)起坡段內煤體的承載表達式:同時得到極限平衡區(qū)寬度與三角煤體高度之間的關系:(2)綜合考慮基本頂、直接頂與煤體三者的關系的同時,對底板破壞深度進行了研究,得到其表達式為:(3)發(fā)現(xiàn)采用錯層位外錯式沿空巷道布置,當回采巷道沿煤層頂板布置,下方實體煤受到起坡段三角煤體的側向支承作用,接續(xù)工作面相鄰巷道完全無煤柱沿空掘巷時,巷道一側三角煤體屬于彈性區(qū),巷道圍巖完整性好,且承載較小。(4)提出了錯層位外錯式“相鄰巷道的聯(lián)合支護技術”方案,即采用錨桿+7.5m錨索+注漿,采用全段錨固,在巷道實體煤幫打兩排4m深孔,進行注漿(固安特),將淺部煤層形成一個整體,對實體煤一側巷道進行主動加強支護,為接續(xù)工作面沿空巷道頂板采用錨桿-索的懸吊提供懸吊點。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD353

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本文編號：1763106