【摘要】：鑒于煤炭市場的大量需求,煤礦生產(chǎn)趨向于更加復(fù)雜的地質(zhì)條件,堅硬頂板巖層由于其自身高強(qiáng)度巖性所引發(fā)的采場驟發(fā)式、高強(qiáng)度來壓顯現(xiàn)嚴(yán)重制約工作面的安全、高效生產(chǎn)。本文以青東煤礦828特厚煤層堅硬頂板采場煤炭開采為背景,針對堅硬頂板對采場煤炭開采呈現(xiàn)出的礦壓顯現(xiàn)及破壞機(jī)理進(jìn)行研究,采用室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等多種手段相結(jié)合的方法對采場煤巖體力學(xué)性質(zhì);堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;堅硬頂板斷裂步距、破斷結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)判據(jù);采場來壓支架載荷確定;采場覆巖破壞結(jié)構(gòu)形態(tài)及其影響因素;采場礦壓顯現(xiàn)影響因素;區(qū)段煤杜合理留設(shè)布置;預(yù)采頂分層可行性;預(yù)裂爆破基本頂?shù)挠行?工作面基本參數(shù)確定;采場煤機(jī)裝備配套及適應(yīng)性等進(jìn)行分析,研究得出如下成果:(1)通過現(xiàn)場基本地質(zhì)條件分析,認(rèn)為堅硬頂板是影響828采場高效生:產(chǎn)的關(guān)鍵。對采場煤巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)試驗,測試發(fā)現(xiàn)堅硬頂板巖層自身抗壓強(qiáng)度平均值為113.24MPa,彈性模量平均值為30.12GPa,泊松比為0.293:通過點荷載試驗對現(xiàn)場堅硬頂板巖石進(jìn)行試驗,試驗表明堅硬頂板巖塊抗壓強(qiáng)度為54.6MPa,抗拉強(qiáng)度為2.75MPa。堅硬頂板巖層可累積承載上覆巖層較大載荷,巖體內(nèi)部儲存較高能量,其破斷失穩(wěn)勢必給采場帶來強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。(2)采用相似模擬試驗對828采場進(jìn)行試驗性開采,研究發(fā)現(xiàn)采場來壓時整體呈現(xiàn)出來壓步距大、來壓強(qiáng)度高、來壓突發(fā)性強(qiáng)、來壓破壞范圍廣的特點。采場正常推進(jìn)期間,采動影響支承應(yīng)力可達(dá)到34MPa左右,影響范圍達(dá)60m,應(yīng)力集中系數(shù)最大可達(dá)2.4;采場初次來壓步距高達(dá)60m,周期來壓步距達(dá)30m;冒落帶高度達(dá)30m,裂隙帶高度達(dá)90m。采場覆巖運動位移史是受堅硬頂板影響呈現(xiàn)大規(guī)模突發(fā)式、大面積階段式下沉。(3)確定了基本頂初次破斷及周期破斷時極限垮落步距;根據(jù)基本頂破斷結(jié)構(gòu)建立了巖塊受載力學(xué)結(jié)構(gòu)模型;推異出頂板下沉位移公式及巖塊回轉(zhuǎn)角并進(jìn)一少建立頂板失穩(wěn)判椐;根據(jù)破斷巖塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)是否觸矸建立了巖塊失穩(wěn)方式判據(jù)。采用彈性地基梁理論對基本頂斷裂步距進(jìn)行計算,確定采場初次來壓以距為52m,周期來壓步距為25m。根椐基本頂破斷巖塊鉸接結(jié)構(gòu)認(rèn)為基本頂初次破斷形成“砌體梁”式結(jié)構(gòu),周期來壓時形成“懸臂式”結(jié)構(gòu)。采場初次來壓時破斷巖塊回轉(zhuǎn)下沉位移值達(dá)到1.65m,此時巖塊回轉(zhuǎn)29°,而采空區(qū)允許最大回轉(zhuǎn)角度為14°,認(rèn)為初次來壓破斷巖塊以滑落失穩(wěn)形式垮落。根據(jù)巖石最大抗壓強(qiáng)度及自身受載應(yīng)變確定采場周期來壓時“懸臂式”結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)0.3°時受載達(dá)到極限形成破碎垮落,即周期來壓時頂板以回轉(zhuǎn)失穩(wěn)形式垮落且最大下沉位移為0.57m。(4)根據(jù)基本頂初次破斷“砌體梁”結(jié)構(gòu)計算出采場支架載荷為29447kN。給出基本頂周期破斷支架載荷計算公式F2=Q支+[q.(3L2-2L)-6h·a.εmax·σmax]/6△max,確定堅硬頂板采場在不采取處理措施下支架載荷達(dá)到25997kN,采場務(wù)必采取有效措施減緩來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。(5)使用Udec軟件對堅硬頂板采場覆巖破壞形態(tài)的采場推進(jìn)度、頂板巖性、保護(hù)層及采高效應(yīng)進(jìn)行研究,得出采場推進(jìn)至100m時,采場覆巖破壞結(jié)構(gòu)形態(tài)達(dá)到穩(wěn)定,主要表現(xiàn)為采場初次來壓步距為60m,周期來壓步距為40m,垮落帶高度達(dá)35m,裂隙帶高度達(dá)95m。確定了堅硬基本頂自身高強(qiáng)度及高厚度巖性是導(dǎo)致采場強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)的主要因素。當(dāng)采高小于9m時,采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度與采高近似呈線性增長,當(dāng)采高大于9m時,采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度呈階梯式增長。直接頂?shù)拇嬖谔崆搬尫帕瞬蓤龈矌r累積載荷,有效緩解了強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。(6)使用Flac3d軟件對采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律受采場推進(jìn)度、采高、有無直接頂、有無預(yù)采頂分層、堅硬頂板強(qiáng)度及堅硬頂板厚度等影響因素進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn):受采動影響,采動應(yīng)力影響范圍約為50m左右;采動應(yīng)力峰值最大為34MPa;采空區(qū)頂板最大位移達(dá)到8.3m;采場四周煤體受載進(jìn)入塑性區(qū)寬度10～20m。采高增大會進(jìn)一步增大采場應(yīng)力集中區(qū)域面積及強(qiáng)度,導(dǎo)致位移、塑性區(qū)破壞范圍增大。直接頂對于減緩采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度有一定的緩沖作用。堅硬頂板厚度對采場礦壓顯現(xiàn)的影響存在一個臨界值,小于該臨界值時隨頂板厚度增大礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度增大,大于該臨界值時隨采高增大礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度減弱,認(rèn)為此時堅硬頂板厚度較大擾動了采場的正常礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。普通強(qiáng)度巖性頂板采場呈現(xiàn)的礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度明顯低于堅硬頂板,采場處于較好的作業(yè)條件。預(yù)采保護(hù)層(7#煤層)預(yù)先擾動了采場原巖應(yīng)力,置8#煤層采場煤巖體處于無限接近靜載狀態(tài)。預(yù)采7#煤層以降低8#煤層堅硬頂板強(qiáng)度或厚度可提供8#煤層采場優(yōu)越的工作條件。(7)建立了采場側(cè)向區(qū)段煤柱受載應(yīng)力分布圖,根據(jù)理論計算確定使用窄煤柱護(hù)巷時區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的最佳距離為8～18m。根據(jù)數(shù)值模擬對巷道掘進(jìn)、采場回采及采空區(qū)三種狀態(tài)下區(qū)段煤柱不同留設(shè)寬度時采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析,給出巷道穩(wěn)定性與區(qū)段煤柱留設(shè)寬度對比圖,綜合考慮設(shè)計采場使用15m寬度留設(shè)區(qū)段煤柱。(8)理論分析確定了預(yù)采頂分層致使8#煤層堅硬頂板僅有5.6m厚度保持完整結(jié)構(gòu),并采用相似模擬試驗進(jìn)行了驗證;確定此時采場來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度較低,主要表現(xiàn)為采場初次、周期來壓步距僅為18.8m、10.6m。對有無預(yù)采保護(hù)層時8#煤層開采礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行對比分析驗證了預(yù)采頂分層對降低8#煤層采場來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的有效性。針對不含頂分層的8#煤層部分區(qū)域采場,設(shè)計使用預(yù)裂爆破法以降低堅硬頂板強(qiáng)度及強(qiáng)度,對比分析確定了預(yù)裂爆破堅硬頂板對降低8#煤層采場高強(qiáng)度礦壓顯現(xiàn)具有較高的實用性。(9)為確保采場高效生產(chǎn),考慮現(xiàn)場實際情況設(shè)計了可有效適應(yīng)堅硬頂板采場的基本參數(shù)(采高、放煤方式、采場傾向及走向長度),根據(jù)年產(chǎn)量設(shè)計了可有效適應(yīng)堅硬頂板采場的煤機(jī)裝備配套及供電裝備圖。通過現(xiàn)場采用頂板鉆孔窺視、支架阻力監(jiān)測確定采場處于優(yōu)越的作業(yè)條件,采場礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度得到較好的控制。
【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】：2018
【分類號】：TD327.2
【圖文】：

１引言逡逑１引言逡逑眾所周知，我國是一個“富煤貧油少氣”的國家，如圖１．１所示，煤炭資源在我逡逑Ｗ邋２０１７年能源消耗占比中達(dá)到６０％，自２０１０年起我國每年煤炭資源的消耗都要逡逑達(dá)到３５億噸左右，煤炭資源為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。圍繞如何安全高逡逑效的開采煤炭，廣大專家、學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了一系列有效的成套科逡逑研成果。然而山于煤炭資源復(fù)雜多樣的地質(zhì)賦存條件導(dǎo)致采場生產(chǎn)時呈現(xiàn)各異的逡逑礦ｍ顯現(xiàn)規(guī)律，采場強(qiáng)烈來ｍ現(xiàn)象不但給生產(chǎn)人員帶來嚴(yán)重的安全隱患更對煤礦逡逑高效生產(chǎn)帶來嚴(yán)重障礙，尤其是堅硬頂板巖層自身固有的高強(qiáng)度屬性、采動時頂逡逑板巖層自身４累積承受的島載荷、失穩(wěn)時堅硬頂板形成的突發(fā)式破斷及下沉進(jìn)而逡逑引發(fā)的高強(qiáng)度來壓顯現(xiàn)，給采場安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的困擾。堅硬頂板采場主要呈逡逑現(xiàn)的特點有［｜ｉ：邋（１）堅硬頂板由于自身的高強(qiáng)度巖性致使其在采空區(qū)呈現(xiàn)大Ｉ丨ＩＩ積逡逑的懸撐，采場ｌＦ．常來壓時往往以高強(qiáng)度的形式顯現(xiàn)。（２）基本頂來時礦壓顯現(xiàn)逡逑強(qiáng)烈

關(guān)于堅硬頂板采場的預(yù)測及防控工，國內(nèi)者根據(jù)現(xiàn)地質(zhì)條件進(jìn)行了多樣化研究，提出了一系列礦壓顯現(xiàn)機(jī)理并針對性進(jìn)行了邋－定程逡逑度的預(yù)防及控制。相關(guān)研究對于遏制堅硬頂板采場引起的強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)起到了一逡逑定的作用，但始終未根本消除堅硬頂板給采場帶來的潛在危機(jī)本文針對堅硬逡逑頂板破斷結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)預(yù)判；采場支架載荷確定、采場來壓顯現(xiàn)機(jī)理及圍巖控制技逡逑術(shù)；Ｋ段煤柱合理留設(shè)及煤機(jī)裝備配套研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)歸納，具體研究現(xiàn)狀總逡逑結(jié)如下。逡逑１．２．１覆巖破壞形態(tài)及運移失穩(wěn)研究現(xiàn)狀逡逑井Ｔ開采中一切礦山壓力顯現(xiàn)的根源來自于采動應(yīng)力、原巖應(yīng)力及支護(hù)應(yīng)力逡逑形成的綜合應(yīng)力場ｔｌｌ］。堅硬頂板的出現(xiàn)更是極大的加劇了礦山ｆｆｉ力顯現(xiàn)的強(qiáng)度及逡逑范圍，廣大學(xué)者以實際生產(chǎn)地質(zhì)條件為背景提出了各種假設(shè)，研究有效的解決了逡逑１木１擾現(xiàn)場生產(chǎn)的難題，并高效推動了井工生產(chǎn)堅硬頂板防治工作的發(fā)展＆１５］。逡逑針對采場覆巖破斷結(jié)構(gòu)及其自身運動規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者提出了各種礦山）ｌｉ力逡逑假說及理論。德ｌｉｌ學(xué)者Ｋ．Ｓｔｏｋｅ將采場煤壁及采空區(qū)上方巖Ｍ視為連續(xù)介質(zhì)的“梁”逡逑結(jié)構(gòu)，頂板初次來后形成一端固定于煤壁處的臂式”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)受采場推進(jìn)逡逑形成周期竹：破斷，并據(jù)此提出了“懸臂梁”假說ｎ２１，如圖１．２所示。逡逑

蘇聯(lián)學(xué)者庫茲涅佐夫考慮直接頂離層作用，認(rèn)為支架僅需承載直接頂全稱之為“給定載荷狀態(tài)”，若直接頂垮落則支架承載基本頂下位巖層相互的載荷，支架受載則隨巖塊變形而增大直ｓ采空矸石充滿達(dá)到平衡位置，態(tài)稱之為“給定變形狀態(tài)”，采場支架處于上述兩種狀態(tài)之問的切換，即“”假說［１Ｗ７］，該結(jié)構(gòu)模型如圖１．５所示。逡逑￣１￣邐７Ｔ逡逑灥帶邐￣Ｊ￣逡逑規(guī)則垮落帶．逡逑拷’0＾Ｔｉ＾ｆp旱洛義賢跡保怠敖陸友銥欏奔偎敵＿掊義希疲椋紓澹保靛澹裕瑁邋澹恚錚洌澹戾澹錚駑澹幔潁簦椋悖酰歟幔簦澹溴澹潁錚悖脲澹瑁穡錚簦瑁澹螅椋簀義锨咴菏垮澹郟福＃菰詼嗄晗殖∈導(dǎo)ぷ骶櫚幕∩咸岢雋恕皒2體梁”平衡模型，沿采場走向及垂直方向建立了“三帶”概念，并給出了巖塊咬合方式、

本文編號：2802472