【摘要】：煤炭作為不可再生能源,其儲量正日益減少,雖然世界上諸多國家希望通過清潔能源等可再生資源來逐漸代替煤炭在能源儲備中的地位,但煤炭依然作為全球工業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)的主體利用資源。鑒于煤炭儲量的有限以及工業(yè)生活較大的需求,殘煤復采工藝隨之發(fā)展。一些礦井在煤炭開采過程中受多方面因素的影響放棄了厚度較小或者煤質(zhì)較劣煤層的開采,這樣在上下部煤層開采后中部整層棄煤開采過程中面臨復雜的礦壓變化、頂?shù)装暹\移變形特征以及瓦斯突水事故等問題。本文以西山集團白家莊煤礦“上垮-下柱”復合殘采區(qū)7號煤層為背景,主要通過理論分析、數(shù)值模擬以及相似模擬相結合的方法對7號煤層開采引起的圍巖應力特征以及穩(wěn)定性情況進行綜合分析,進而對此特殊地質(zhì)條件下煤層開采的可行性進行綜合評價。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)對復合殘采區(qū)中部整層棄煤垮落式開采進行了相似模擬分析,受下部8號煤層及上部6號煤層開采帶來的多次采動影響,整個層間巖層強度減弱,中部7號棄煤直接頂巖層周期性垮落距較小,垮落后塊度較小,巖塊相互擠壓、咬合排列在煤層底板處。由于中部7號煤采動的影響,下部采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性受到一定干擾。由于疊加過煤柱的應力集中效應,煤柱進一步被剝落,頂板巖層斷裂范圍向上擴展,柱間垮落的梯形空間變大,導致層間巖層形成的“梁、板”結構向高位運移。(2)對復合殘采區(qū)中部整層棄煤垮落式開采進行了數(shù)值模擬研究,在中部整層棄煤垮落式開采后,層間巖層的應力場特征表現(xiàn)為:柱采范圍的層間巖層受整個采動應力場的影響較為顯著,具體表現(xiàn)為8-1柱采區(qū)以及(3)8-4柱采區(qū)覆巖拉應力區(qū)與6號煤層工作面采空區(qū)底板拉應力區(qū)的貫通,8-3柱采區(qū)覆巖拉應力區(qū)的延伸;而且棄煤開采對刀柱煤柱覆巖應力場的影響較小。(4)對復合殘采區(qū)中部整層棄煤開采對下部留設煤柱穩(wěn)定性的影響進行了理論分析,分析了煤柱破壞的過程,指出指出“馬鞍形”是穩(wěn)定的大煤柱應力分布的典型形態(tài)即煤柱要保持穩(wěn)定,就要存在核區(qū),進一步得出了煤柱寬度的設計原則和計算方法。同時立足于傳統(tǒng)小煤柱的實際荷載計算公式,推導出了雙重采動下煤柱的實際荷載計算公式,可供多層煤上行開采,下部煤層進行刀柱開采煤柱設計時參考。(5)通過相似模擬以及理論分析相結合的方法對復合殘采區(qū)中部整層棄煤開采的可行性進行了綜合研究,得到結果為:下部煤層刀柱式開采后,采場上方存在“控制層”,對覆巖的變形破壞起著主要的控制作用。下部煤體采出上部煤體開采時,控制層最終由周圍煤體支承,并在開采單元上方形成具有某種邊界約束的三維板狀結構。控制穩(wěn)定性狀況可以通過板結構的強度計算進行分析。上部煤層垮落式開采后,上位層間巖層的承載層維持著覆巖穩(wěn)定性,上承載層的穩(wěn)定性可以保證中部煤層的安全高效開采,通過對采場圍巖的損傷狀態(tài)以及破壞失穩(wěn)深度來研究上承載層的位置。在對上承載層進行應力應變分析時,可認為該巖層為四邊固支約束的矩形彈性板狀結構。基于薄板彎曲的疊加原理,就可得到四邊固支約束的矩形平板撓度最大值,進而判斷承載層穩(wěn)定性特征。經(jīng)對“上承載—下控制層”穩(wěn)定性的相似模擬分析,認為白家莊煤礦“上垮-下柱”復合殘采區(qū)中部整層棄煤是可以安全高效開采利用的。
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【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD823

【參考文獻】

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本文編號：2301247