【摘要】：我國(guó)西部地區(qū)淺埋煤層主要采用雙巷布置留設(shè)寬煤柱(大于20m小于30m)護(hù)巷的方式,寬煤柱在保證安全回采的同時(shí)造成了煤炭資源的大量浪費(fèi),如何確定煤柱的合理寬度是亟需解決的問題,解決問題的決定性因素是對(duì)煤柱上方覆巖結(jié)構(gòu)的分析研究。本文以淺埋煤層煤柱及其上覆巖層結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,結(jié)合馮家塔煤礦的工程實(shí)踐,采用理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法,分析了淺埋煤層開采后煤柱上覆巖層空間結(jié)構(gòu),研究了護(hù)巷煤柱的合理寬度。主要研究成果如下:(1)基于關(guān)鍵層判別理論,確定了馮家塔3203工作面附近的覆巖主關(guān)鍵層以及亞關(guān)鍵層�；谄鲶w梁“S-R”穩(wěn)定理論,對(duì)馮家塔煤礦3203工作面上覆基巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進(jìn)行判別,亞關(guān)鍵層基巖結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn),發(fā)生滑落失穩(wěn),主關(guān)鍵層基巖不發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu),煤柱上方覆巖結(jié)構(gòu)空間形成了小“F”結(jié)構(gòu)。淺埋煤層開采后,基于上覆巖層空間結(jié)構(gòu)對(duì)煤柱穩(wěn)定性的主要影響因素,將其分為主關(guān)鍵層懸臂梁結(jié)構(gòu)(大“F”結(jié)構(gòu))和多層頂板組合“懸臂-鉸接梁”結(jié)構(gòu)(小“F”結(jié)構(gòu)),并采用數(shù)值模擬的方法,研究了這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)煤層底板和煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律以及頂板移動(dòng)規(guī)律。(2)通過分析頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)(大“F”結(jié)構(gòu))的力學(xué)模型,得出淺埋煤層頂板厚度越小,形成頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)的延伸長(zhǎng)度越短,頂板上覆載荷越小,由頂板傳遞至煤柱的載荷就越小,煤柱內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象越不明顯,煤柱的穩(wěn)定性越好,越有利于回采巷道的維護(hù)。分析了多層頂板“懸臂-鉸接梁”(小“F”結(jié)構(gòu))之間的力學(xué)關(guān)系,推導(dǎo)了煤柱保持穩(wěn)定所需承受支承載荷的計(jì)算公式,得出煤柱內(nèi)控制上覆巖層的支承應(yīng)力主要包括三個(gè)部分:(a)煤柱上方形成懸臂梁直接頂巖層的塊體重量;(b)煤柱上覆巖層各個(gè)分層間的作用力;(c)頂板關(guān)鍵層塊體之間由于相互擠壓與摩擦產(chǎn)生的相互作用力。(3)基于煤柱上方多層“懸臂-鉸接梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,通過計(jì)算得到馮家塔3203工作面煤柱內(nèi)控制上覆巖層的支承應(yīng)力為6.21MPa,得出煤柱寬度大于等于7.82m。根據(jù)對(duì)煤柱上覆巖層空間結(jié)構(gòu)的分析,在數(shù)值計(jì)算模型關(guān)鍵層與其下部相鄰巖層間建立了節(jié)理面,改進(jìn)了傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型,使其更貼近工程實(shí)踐。采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法,分析了在雙巷掘進(jìn)期間、一次采動(dòng)期間以及二次采動(dòng)期間的煤柱穩(wěn)定性、回采巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律以及彈塑性區(qū)分布規(guī)律,得出了煤柱合理寬度應(yīng)為12.5m。(4)以馮家塔煤礦3203工作面為地質(zhì)背景,進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。基于改進(jìn)后的數(shù)值計(jì)算模型,采用數(shù)值模擬的方法,分析了3203工作面輔運(yùn)巷與運(yùn)輸巷的支護(hù)參數(shù)對(duì)巷道圍巖的控制效果,確定了最終支護(hù)方案。對(duì)3203輔運(yùn)巷以及3203運(yùn)輸巷進(jìn)行了監(jiān)測(cè),并對(duì)錨桿液壓枕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、巷道圍巖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及鉆孔窺視數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明,基于本文研究成果所確定的煤柱寬度可以保證工作面安全高效的回采,對(duì)其他相似地質(zhì)條件煤柱的確定具有指導(dǎo)作用。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD325
【圖文】：

1 緒論1 緒論1 Introduction1.1 研究背景（Research Background）隨著我國(guó)西部地區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量的探明，開發(fā)建設(shè)利用西部地區(qū)的煤炭資源將為我國(guó)“兩個(gè)百年”戰(zhàn)略目標(biāo)奠定良好的能源基礎(chǔ)。我國(guó)西部地區(qū)淺埋煤層主要采用雙巷同時(shí)掘進(jìn)寬煤柱（約為 20m）護(hù)巷的方式，寬煤柱在保證安全回采的同時(shí)造成了煤炭資源的大量浪費(fèi)，因此，煤柱上方覆巖結(jié)構(gòu)的分析及其合理寬度的研究對(duì)解決此類問題具有重要的意義。本文以陜北府谷礦區(qū)為工程背景進(jìn)行研究府谷礦區(qū)位于陜西省府谷縣城北的高石崖—段寨之間，緊鄰黃河西岸，礦區(qū)北以黃河為界，南至府谷縣城，東至黃河西岸，西至墻頭—高石崖?lián)像迬У臇|邊界礦區(qū)南北長(zhǎng) 35km，東西寬 6～8km，面積約 261.5km2。其煤田為陜北石炭二疊紀(jì)煤田。

圖 1-2 采空區(qū)上方地表裂隙Figure 1-2 Surface Fissures above Goaf馮家塔煤礦位于陜西省榆林市府谷縣，井田南北長(zhǎng)約 9km，東西寬約 7k面積約 59.5km2，主要含煤地層為鄂爾多斯盆地東緣的石炭-二疊紀(jì)山西組和太組，地質(zhì)儲(chǔ)量 11 億 t，可采儲(chǔ)量約 5 億 t。礦井現(xiàn)采用長(zhǎng)壁采煤法主采 2 號(hào)煤和 4 號(hào)煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為 6Mt/a，服務(wù)年限為 59.6 年。井田地表基本被第系松散沉積物覆蓋，地表海拔標(biāo)高+825.0～+1116.3m，2 號(hào)煤層海拔標(biāo)高+705.3+969.6m，埋深約 120～220m，平均厚度 3.29m，煤層一般含 2 層夾矸，局部

淺埋煤層在我國(guó)山西、陜西、內(nèi)蒙等地區(qū)均有分布，該地質(zhì)條件下煤炭資源儲(chǔ)量大，尤其是陜北石炭二疊紀(jì)煤田煤炭資源量 1190 億噸，約占陜西省煤炭資源總量的 28.7%；累計(jì)探明儲(chǔ)量 58.3 億噸，已利用 4.5 億噸，尚未利用 53.8 億噸。煤田地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，勘探程度較低。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者以淺埋煤層工作面回采為背景，其上覆巖層的空間結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育規(guī)律、隨工作面回采的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、失穩(wěn)條件、破斷規(guī)律等方面做了大量研究工作。石平五、侯忠杰等[1-5]基于淺埋煤層覆巖的破斷規(guī)律，得出了控制頂板的關(guān)鍵性條件，并研究了不同的基巖厚度、不同的工作面采高以及不同的工作面回采速度對(duì)淺埋煤層上覆巖層活動(dòng)的影響規(guī)律；在淺埋煤層的地質(zhì)條件下，基于關(guān)鍵層理論，得到了工作面覆巖結(jié)構(gòu)為組合關(guān)鍵層時(shí)，工作面回采的周期來壓和初次來壓步距的計(jì)算公式；研究了地表松散層厚度對(duì)組合關(guān)鍵層巖柱穩(wěn)定性的作用，得出淺埋煤層覆巖的破壞形式為全厚度沿煤壁的臺(tái)階切落。許家林等[6-8]將淺埋煤層覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)分為以兩類下四種，其中又歸為多層關(guān)鍵層以及單一關(guān)鍵層兩類。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2788790