【摘要】：神東礦區(qū)為我國典型的淺埋近距離煤層賦存礦區(qū),上煤層長壁開采表明工作面普遍發(fā)生頂板臺階下沉,支架壓死等劇烈礦壓現(xiàn)象。頂板臺階下沉事故嚴重影響了礦區(qū)的安全高效生產,即使采用支護強度為1.52 MPa的先進液壓支架,仍有多起壓架事故發(fā)生。由于神東礦區(qū)淺埋煤層頂板破壞運動規(guī)律的特殊性,原有長壁工作面頂板巖層控制經驗和理論已不能很好地解釋這種現(xiàn)象。因此,針對神東礦區(qū)淺埋近距離煤層上煤層覆巖活動的特殊性,研究覆巖結構特征及穩(wěn)定性解決開采面臨的生產技術及安全問題具有重要的理論和現(xiàn)實意義。近些年隨著神東礦區(qū)開采強度的增大,尤其是高產高效開采技術的快速發(fā)展,大部分礦井已逐步轉向下煤層的開采。多數(shù)下煤層工作面開采礦壓實測表明下煤層工作面出上煤層遺留煤柱邊界前后約5 m范圍內均有煤壁片幫嚴重、支架活柱在短時間內急劇下降的劇烈礦壓顯現(xiàn),甚至導致采煤機無法正常行走割煤而造成工作面被迫停采�？刂迫趸旅簩庸ぷ髅娉雒褐鶆×业V壓進而確保出煤柱安全成了急需解決的技術難題。巖體作為連續(xù)介質集合體的離散介質,連續(xù)介質需通過非連續(xù)特征而發(fā)生相互作用,這與顆粒流程序的基本特征吻合。顆粒流程序在模擬分析覆巖破斷運動規(guī)律方面具有獨特的優(yōu)點—能夠再現(xiàn)覆巖運動所經歷的撓曲、離層、斷裂、垮落、堆積以及壓實的整個過程,并能夠顯式追蹤采動裂隙擴展過程�；谏鲜�,綜合運用現(xiàn)場實測、理論分析、相似模擬物理實驗和顆粒流模擬實驗研究淺埋近距離煤層重復采動覆巖結構失穩(wěn)致災機理,進而實現(xiàn)安全高效生產的目的。本文的所有數(shù)值模擬實驗均采用顆粒流程序進行計算分析�？紤]到“試錯法”標定細觀參數(shù)的繁瑣、低效率缺點以及細觀參數(shù)標定和相似材料配制具有相同的本質,均被用來模擬再現(xiàn)特定材料的力學屬性,因此,本文提出了采用相似理論標定顆粒力學模型細觀參數(shù)的新方法。準確認識節(jié)理煤體單軸壓縮力學行為特征對揭示淺埋近距離煤層重復采動覆巖結構特征及其演化規(guī)律具有重要的意義,為此本文研究了割理屬性對節(jié)理煤體應力—應變特征以及失效模式的影響作用,分析了節(jié)理煤體強度與割理密度的關系以及應力—應變類型與失效模式之間的聯(lián)系,揭示了節(jié)理煤體應力—應變特征呈多樣性的機理,并深入探討了節(jié)理煤體強度尺寸效應。針對神東礦區(qū)淺埋近距離煤層上煤層長壁開采頂板普遍發(fā)生臺階下沉壓架災害,通過對所建頂板臺階下沉覆巖模型進行理論分析,解釋了頂板臺階下沉現(xiàn)象,并通過數(shù)值模擬與相似模擬物理實驗以及現(xiàn)場實測對比分析揭示頂板臺階下沉機理。最終通過理論分析計算,獲取了防治頂板臺階下沉所需的最小支架工作阻力。針對神東礦區(qū)淺埋近距離煤層下煤層工作面出煤柱劇烈礦壓,首先根據(jù)煤柱上方關鍵層層位和下煤層工作面切眼距上煤層遺留煤柱邊界的距離,將下煤層下行開采時上煤層煤柱上方覆巖結構劃分為臺階巖梁和砌體梁兩大類上覆承載結構,上關鍵層懸臂式破斷和周期式破斷兩個子類,兩個子類各自細分為上下煤層間存在與不存在關鍵層兩類,共8種覆巖結構類型。建立了每種覆巖結構下工作面出煤柱壓架力學模型,以覆巖結構穩(wěn)定性為核心,通過理論分析建立了每種覆巖結構下工作面出煤柱壓架機理。綜合運用相似模擬物理實驗、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測的方法,驗證了所建壓架機理的正確性。為控制弱化下工作面出煤柱劇烈礦壓,按照由下至上的空間關系分析了各個環(huán)節(jié)對下工作面出煤柱劇烈礦壓的影響作用。依據(jù)分析結果,并考慮到一些因素(如煤層間距)非人為可以改變,提出下工作面出煤柱前采取充填采空空間和爆破卸壓的方法預先減小上工作面覆巖承載結構下沉量的措施實現(xiàn)控制弱化出煤柱劇烈礦壓的目的。
【圖文】：

第一章 緒論研究背景和意義礦區(qū)淺埋近距離煤層上煤層埋深普遍為 50—250 m。淺埋深、薄基巖、煤層賦存的典型特征。由于此類煤層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有明顯的特點煤層，通常將具有埋深淺、基巖薄、上覆厚松散層賦存特征的煤層稱東礦區(qū)淺埋近距離煤層上煤層的生產實踐表明，煤層埋深淺并不一定面普遍出現(xiàn)臺階下沉現(xiàn)象，支架壓死，礦壓顯現(xiàn)劇烈[1-8]�；卷敹鄶�(shù)巖載荷，其斷裂垮落運動直接波及地表，引起地表產生不連續(xù)變形進頂板發(fā)生較嚴重的臺階下沉時，位于工作面煤壁上方的拉張裂紋會相成潰砂以及大量水流向工作面，這將會造成水土流失，地表植被破壞 所示。

給出了淺埋煤層覆巖是否為復合關鍵層以及是否覆巖全厚切落破斷照所給出的判定條件是否成立可將淺埋煤層劃分為 2 類：厚松散層淺埋煤層煤層。后于 2000 年，侯忠杰[14]進行了組合關鍵層穩(wěn)定性研究，，分析了組合關穩(wěn)和回轉失穩(wěn)的關系，得到了組合關鍵層巖柱的滑落失穩(wěn)是導致覆巖全厚沿發(fā)生臺階下沉的主要原因。此外，侯忠杰[15]于 2001 年推導了組合關鍵層的彈的覆巖載荷以及極限跨距的量化公式，進一步完善了組合關鍵層理論。2000 年，黃慶享[1]完成《淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究》著作頂板承載結構穩(wěn)定性分析為核心，建立了頂板臺階下沉機理，根據(jù)破斷巖塊和鉸接形態(tài)提出了淺埋煤層長壁開采頂板周期來壓的“短砌體梁”結構和“結構模型，見圖 1-2 所示�！岸唐鲶w梁”結構和“臺階巖梁”結構的穩(wěn)定性分析神東礦區(qū)淺埋煤層地質條件，兩種結構都容易發(fā)生滑落失穩(wěn)，這是引起工作劇烈并造成頂板沿工作面煤壁發(fā)生臺階下沉的根本原因所在。此外，給出了定性的支架工作阻力計算公式。
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD323

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本文編號：2608101