【摘要】：長時(shí)間以來,在近距離煤層開采方面,仍存在很多理論和技術(shù)的盲區(qū),給工作面和回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制都帶來很多難題。本課題通過對(duì)覆巖結(jié)構(gòu)理論和覆巖運(yùn)動(dòng)研究現(xiàn)狀、近距離煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及下煤層回采巷道合理布置研究現(xiàn)狀等進(jìn)行深入分析,認(rèn)為目前針對(duì)近距離煤層開采的研究,主要集中在層間巖層的研究,缺少在多重采動(dòng)影響下的覆巖結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)研究,下層煤開采過程中工作面及巷道頂板應(yīng)力分布的定量判定,影響應(yīng)力分布因素的系統(tǒng)分析,下煤層回采多次動(dòng)壓影響下,巷道布置對(duì)于巷道圍巖穩(wěn)定性的影響等方面仍需進(jìn)行更深入的研究。針對(duì)目前研究存在的主要問題,課題研究以沙坪礦近距離煤層開采為工程背景,以上覆巖層及運(yùn)動(dòng)為中心,以煤柱下回采巷道圍巖及采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性控制、支護(hù)等為著眼點(diǎn),運(yùn)用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)等手段,開展近距離煤層開采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及圍巖變形機(jī)理研究。建立系統(tǒng)的采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)及采場(chǎng)應(yīng)力分布力學(xué)模型,揭示近距離煤層開采,采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的基本特征和規(guī)律,為近距離煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律、采場(chǎng)應(yīng)力分布及巖層控制、下煤層回采巷道布置及穩(wěn)定性控制等提供堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。(1)通過對(duì)近距離煤層上行開采、下行開采及合層開采礦壓顯現(xiàn)影響因素的分析,得出了上下煤層垮落帶高度和上煤層關(guān)鍵層穩(wěn)定性,是近距離煤層采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)和回采巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵影響參數(shù)。(2)基于全國礦區(qū)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)垮落帶高度,通過對(duì)5個(gè)礦區(qū)的工作面支架受力與上煤層關(guān)鍵層穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)總結(jié),分析了其與上下煤層計(jì)算垮落帶高度之間的關(guān)系,進(jìn)而將近距離煤層開采分為下煤層開采不造成上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)(Ⅰ類)、下煤層開采導(dǎo)致上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)(Ⅱ類)兩種類型。其中Ⅰ、Ⅱ類又可分別分為兩個(gè)亞類,分別為雙砌體梁結(jié)構(gòu)(ⅠA型)和上砌體梁下懸臂梁結(jié)構(gòu)(ⅠB型)、雙懸臂梁結(jié)構(gòu)(ⅡA型)和上懸臂梁下砌體梁結(jié)構(gòu)(ⅡB型)。(3)通過理論分析,對(duì)近距離煤層開采中4種覆巖結(jié)構(gòu)類型和上煤層工作面回采期間,支撐壓力對(duì)煤層底板的損傷影響進(jìn)行研究。建立了下煤層工作面開采過程中4種覆巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。通過對(duì)力學(xué)模型中覆巖結(jié)構(gòu)的分析可知,當(dāng)上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)不失穩(wěn)(Ⅰ類)時(shí),上下煤層間距相對(duì)較大,上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)變形空間有限,重新達(dá)到穩(wěn)定后還具有一定的承載能力,不會(huì)造成下煤層工作面的大面積來壓。在上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況中,當(dāng)層間巖層厚度較小時(shí),隨著工作面的推進(jìn),上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)和下煤層頂板巖層將形成雙懸臂梁結(jié)構(gòu)(ⅡA型)的形式,上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)中的斷裂線位置、塊體長度均將對(duì)下煤層工作面的礦壓顯現(xiàn)產(chǎn)生不同的影響,工作面將形成大小周期來壓現(xiàn)象。當(dāng)層間巖層厚度較大、完整性較好時(shí),隨著工作面的推進(jìn),層間巖層將形成砌體梁結(jié)構(gòu),上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)和下煤層頂板巖層將形成上懸臂梁和下砌體梁雙結(jié)構(gòu)(ⅡB型)的形式,然而在上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)中的斷裂線位置、塊體長度等因素的影響下,工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不盡相同,其中,當(dāng)上煤層懸臂梁塊體長度大于砌體梁關(guān)鍵塊長度,且上懸臂巖塊斷裂線位置與下煤層砌體梁關(guān)鍵塊斷裂線位置對(duì)齊時(shí),工作面將出現(xiàn)來壓步距一致,來壓強(qiáng)度具有顯著差異的大小周期來壓現(xiàn)象,在大周期來壓期間,礦壓顯現(xiàn)劇烈。(4)上煤層支承壓力對(duì)煤層底板的破壞深度不僅與上煤層周期來壓規(guī)律、上覆巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律相關(guān),而且隨著底板空間位置的變化,底板破壞深度也呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。通過對(duì)底板損傷深度的評(píng)價(jià),將底板損傷分為較穩(wěn)定區(qū)和危險(xiǎn)區(qū),在下煤層回采前進(jìn)行工作面支架選型和巷道布置時(shí)應(yīng)綜合考慮,分區(qū)控制,保證下煤層工作面的安全高效生產(chǎn)。(5)通過相似模擬試驗(yàn),對(duì)比分析了3m和18m層間距近距離煤層開采過程中上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。結(jié)果表明:(1)層間距較小的近距離煤層開采時(shí),由于上煤層開采時(shí)上覆巖層內(nèi)已形成大量裂紋,下煤層開采時(shí)裂隙擴(kuò)展發(fā)育,導(dǎo)致下煤層采空區(qū)壓實(shí)區(qū)距工作面距離大大縮短,給工作面的頂板穩(wěn)定性控制和安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。(2)隨著層間距的增大,下煤層開采時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)滯后工作面距離逐漸增大。(3)層間距較小時(shí),上煤層開采形成的砌體梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為上懸臂梁結(jié)構(gòu),通過上煤層垮落矸石,將荷載傳遞給下煤層工作面頂板巖層,上煤層懸臂梁結(jié)構(gòu)和下煤層懸臂梁結(jié)構(gòu)共同作用下,使下煤層工作面周期來壓步距與上煤層周期來壓出現(xiàn)同步協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。(4)由于層間巖層厚度增加,層間巖層具有形成基本頂?shù)臈l件,開采下層煤時(shí)對(duì)工作面影響較大的是層間基本頂。由于下煤層工作面采空區(qū)垮落矸石能夠?qū)ぷ髅骓敯逍纬芍?當(dāng)工作面進(jìn)入正�；夭呻A段時(shí),就形成了雙砌體梁結(jié)構(gòu)模型。覆巖部分荷載通過上煤層垮落矸石傳遞給下煤層工作面頂板巖層,當(dāng)煤層間距較大時(shí),上下煤層工作面的來壓規(guī)律同步協(xié)調(diào)性不斷減弱。(6)在近距離煤層采場(chǎng)應(yīng)力分布及巷道合理布置的研究中,通過MATLAB和離散元軟件3DEC,開展不同層間距近距離煤層開采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、采場(chǎng)應(yīng)力分布特征及下煤層回采巷道合理位置確定等研究,揭示了層間距對(duì)采場(chǎng)應(yīng)力分布的影響規(guī)律,結(jié)果表明,隨著層間距的不斷增大,采場(chǎng)最大應(yīng)力區(qū)域滯后工作面距離逐漸增大,且由于采空區(qū)垮落矸石的充填,下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)具有減弱趨勢(shì)。通過對(duì)3m層間距近距離煤層開采巷道布置的數(shù)值模擬分析,得到了下煤層回采巷道外錯(cuò)5m時(shí)較為合理的結(jié)論。(7)通過對(duì)小間距近距離煤層和大間距近距離煤層的覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的理論分析,建立了上煤層回采期間煤柱側(cè)關(guān)鍵塊斷裂回轉(zhuǎn)力學(xué)模型,并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在上煤層回采期間,下煤層回采巷道頂板整體上彎矩中間大,兩幫小,且靠近副幫側(cè)彎矩大于正幫側(cè),屬于直接頂最易被拉斷而發(fā)生破壞的重點(diǎn)區(qū)域�，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,隨著上下煤層層間距的不斷減小,下煤層巷道圍巖變形量顯著增大,且巷道圍巖變形速度增大時(shí),超前工作面距離不斷增加。當(dāng)層間距較小時(shí),上煤層支撐壓力區(qū)對(duì)下煤層巷道圍巖變形的影響顯著,導(dǎo)致動(dòng)壓區(qū)內(nèi)下煤層巷道圍巖變形更加劇烈,且圍巖變形穩(wěn)定時(shí)滯后上煤層工作面距離較小。通過理論分析,詳細(xì)分析了下煤層開采時(shí)不同層間距條件下“支架-圍巖”相互作用關(guān)系,同時(shí)結(jié)合沙坪煤礦近距離煤層開采條件,計(jì)算了雙懸臂梁結(jié)構(gòu)和雙砌體梁結(jié)構(gòu)時(shí)工作面支架的合理工作阻力;計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)煤層間距較小,上懸臂梁和下懸臂梁斷裂位置處于同一鉛垂線上時(shí),工作面支架承受的荷載最大,為7692KN,明顯小于雙砌體梁結(jié)構(gòu)時(shí)的承受載荷,進(jìn)一步說明工作面支架工作阻力為8000KN是合理的。(8)根據(jù)研究成果,在沙坪煤礦1808工作面開展工業(yè)性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著巷道距下煤層工作面距離的不斷減小,巷道頂板巖層裂紋重新發(fā)育、擴(kuò)展并向下貫通;當(dāng)煤層間距較小時(shí),上煤層支撐壓力已造成層間巖層出現(xiàn)大量裂紋,下煤層工作面回采期間,裂紋進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展,嚴(yán)重影響巷道頂板的穩(wěn)定性。下煤層工作面超前支撐壓力對(duì)巷道圍巖變形影響顯著,層間距較小的巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平吭龃笏俣?明顯比層間距較大的Ⅰ階段加快。因此,在1808工作面回采期間,膠運(yùn)順槽超前支護(hù)設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)層間距和層間巖層巖石力學(xué)性質(zhì)的不同有所差異�，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)煤層間距較小時(shí),支架壓力受到上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的影響顯著,上下煤層間來壓步距同步協(xié)調(diào)性增強(qiáng)。下煤層工作面回采期間,上煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)斷裂、回轉(zhuǎn)失穩(wěn),造成下煤層工作面支架需要承擔(dān)更大范圍覆巖荷載。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),取得了滿意的結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果與研究結(jié)果較為吻合,能夠?yàn)橄嗨茥l件下近距離煤層的開采,提供理論基礎(chǔ),具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

a-前拱腳；b-后拱腳；1-頂板內(nèi)壓力拱軸線；2-底板內(nèi)壓力拱軸線圖 1.1 回采工作面壓力拱假說Fig.1.1 Pressure arch hypothesis in working face該假說對(duì)采場(chǎng)上覆巖層的認(rèn)識(shí)有兩個(gè)突出貢獻(xiàn)，一是認(rèn)識(shí)到支架所承有限的；二是隨著采空區(qū)矸石的逐漸壓實(shí)，，工作面前方和采空區(qū)會(huì)形

1-不規(guī)則冒落帶；2-規(guī)則垮落帶；3-裂隙帶圖 1.2 鉸接巖塊假說Fig.1.2 The hypothesis of hinged rock block對(duì)支架與圍巖的相互作用進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析。針對(duì)規(guī)發(fā)生斷裂提出了支架存在的兩種不同工作狀態(tài)，即“給定
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD325


本文編號(hào)：2666983