急倾斜特厚煤层水平分层开采巷道冲击地压成因与防治技术研究

摘要

甘肃华亭煤矿开采急倾斜特厚煤层，采用水平分层综合机械化放顶煤开采方法，近年来回采期间巷道中多次发生严重的冲击地压，造成人员伤亡和巨大的经济损失。华亭煤矿发生的冲击地压，是在特殊煤层条件和特殊开采方式下的巷道冲击地压新问题。
　　 本文以华亭煤矿巷道冲击地压为背景，综合运用理论分析、实验室和现场测试、相似材料模拟、数值模拟等研究手段，对华亭煤矿的煤层冲击倾向性和井下地应力进行了测试，对急倾斜特厚煤层水平分层综放开采条件下上覆岩层活动规律及矿压显现规律进行了比较深入的研究，在此基础上分析得出了华亭煤矿巷道冲击地压的成因，进而提出了华亭煤矿巷道冲击地压的防治对策，特别对冲击地压巷道支护技术进行了比较深入的研究。
　　 论文取得的主要研究成果有：
　　 (1)得出急倾斜特厚煤层水平分层开采上覆岩层移动和矿压显现特征：上覆岩层移动幅度大、动态性强；开采形成的采空区是一个随采动不断扩大和移动的动态陷落漏斗；多分层开采后，基本顶岩层形成“悬臂梁”结构；周期来压表现为分别沿走向和倾向的“双重性”特征；采场周围应力集中程度高、积聚能量大、易形成冲击载荷。
　　 (2)确定了华亭煤矿的冲击地压的成因。华亭煤矿的冲击地压是多种因素共同作用的结果：煤层及其顶板具有一定的冲击倾向性是冲击地压发生的内在条件；深部开采及向斜构造应力致使原岩应力已经达到较高水平；采出煤量多、上方岩层移动幅度大，造成采场周围巨大的采动附加应力；多工作面同采的高强度的开采方式，使多分层采动的附加应力叠加，形成畸高的动态集中应力；“悬臂梁”断裂形成的冲击载荷具有诱发和加强冲击地压的作用。
　　 (3)提出“避免形成和降低高应力是解决华亭煤矿冲击地压的有效途径”，并据此制订了“降低开采强度、深孔断顶爆破和加强巷道支护”的综合防治思路。
　　 (4)基于急倾斜特厚煤层顶板“悬臂梁”结构模型，提出了华亭煤矿顶板深孔爆破断顶技术并在华亭煤矿井下实施，取得了良好的技术效果。
　　 (5)论证得出锚杆支护是冲击地压巷道最有效的支护方式，并分析了冲击地压巷道锚杆支护的作用原理，提出了“抗冲击锚杆支护系统”及其支护理念-“高强度、强让压、整体性”。
　　 (6)建立冲击地压巷道支护设计方法-能量校核设计法：首先对巷道的冲击危险性进行预测；根据工程类类比提出初步设计，并采用数值模拟方法对各参数进行优化；最后根据冲击地压能量理论对支护系统的吸能指标进行校核。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪 论

1.1 选题背景

1.2 冲击地压研究现状

1.2.1 冲击地压发生概况

1.2.2 冲击地压理论及其评述

1.2.3 冲击危险性评价与冲击地压预测技术

1.2.4 冲击地压控制技术与途径

1.2.5 冲击地压研究工作任重而道远

1.3 急倾斜特厚煤层巷道冲击地压是生产过程中遇到的新课题

1.3.1 急倾斜特厚煤层的埋藏条件及开采方法特殊

1.3.2 急倾斜特厚煤层冲击地压在国内首次发生

1.3.3 急倾斜矿压显现规律研究不足

1.4 论文研究内容及技术路线

2 煤岩层冲击倾向性测试及地应力测量

2.1 煤岩层冲击倾向性试验研究

2.1.1 冲击倾向性指标

2.1.2 华亭煤矿冲击倾向性测定结果

2.2 矿井地应力测量

2.2.1 水压致裂平面应力测量原理

2.2.2 水压致裂法地应力测量方法

2.2.3 测试结果处理与分析

2.2.4 华亭煤矿地应力测量结果

3 急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征研究

3.1 引言

3.2 华亭煤矿煤层地质条件及生产技术条件

3.2.1 煤层赋存特征

3.2.2 急倾斜特厚煤层水平分层综放开采方法简述

3.3 相似材料模拟研究

3.3.1 实验模型设计

3.3.2 模型的开采方法和观测内容

3.3.3 模型实验过程

3.3.4 模型实验结果分析

3.4 数值模拟研究

3.4.1 计算模型建立

3.4.2 地表移动模拟

3.4.3 岩层移动模拟

3.4.4 采动应力分布及与地应力实测结果的对比分析

3.5 现场实测研究

3.5.1 地表实际的垮落形态

3.5.2 采动影响现场观测

3.6 急倾斜放顶煤顶板岩层沿倾斜悬臂梁结构模型

3.7 小结

4 华亭煤矿冲击地压成因分析及防治对策

4.1 华亭煤矿冲击地压发生情况

4.2 两次典型冲击地压事故分析

4.3 华亭煤矿冲击地压成因分析

4.4 冲击地压防治方案

4.4.1 防治思路

4.4.2 治理方案

4.5 小结

5 急倾斜煤层坚硬顶板爆破断顶技术与实施

5.1 爆破断顶原理

5.2 深孔爆破断顶的实现机制

5.3 深孔爆破工艺参数设计

5.4 深孔爆破的实施及效果分析

5.4.1 深孔爆破的实施

5.4.2 深孔爆破效果分析

5.5 小结

6 冲击地压巷道支护技术研究

6.1 冲击地压巷道锚杆支护原理

6.1.1 冲击地压巷道破坏特征及对支护的要求

6.1.2 锚杆支护对冲击地压巷道的适应性分析

6.1.3 冲击地压巷道锚杆支护作用原理

6.2 冲击地压巷道锚杆支护技术

6.2.1 抗冲击锚杆支护系统的概念

6.2.2 抗冲击锚杆支护系统组成构件

6.3 冲击地压巷道锚杆支护设计

6.3.1 冲击地压巷道能量校核设计法的提出

6.3.2 冲击地压巷道能量校核设计法

6.4 华亭煤矿冲击地压巷道支护设计

6.4.1 巷道的基本条件

6.4.2 华亭煤矿604工作面回风顺槽支护设计

6.5 小结

7 结论

8 论文的创新点与展望

8.1 论文创新点

8.2 展望

参考文献

作者简历

在读期间发表的论文

在读期间完成的科研项目

学位论文数据集