急倾斜下保护层开采保护范围及影响因素研究

摘要

随着煤矿开采深度的不断增加,煤与瓦斯突出日益成为制约矿井安全高效生产的主要因素,而开采保护层是最有效的区域性防突措施。保护层开采时一个重要的问题就是保护范围的划定,然而我固西南地区大多数煤层都是严重突出的急倾斜煤层,采煤方法比较特殊,按照传统的方法(即参考《防治煤与瓦斯突出规定》)划定其保护范围,在实际应用中出现偏差。
　　 因此,本文以南桐矿业公司东林煤矿的急倾斜俯伪斜下保护层开采为研究的工程背景,采用实验室试验、理论计算、数值模拟和现场工业试验等相结合的方法,研究了急倾斜俯伪斜下保护层开采后被保护层的有效保护范围及其影响因素。本文的主要研究成果和结论有:
　　 ①通过在煤矿现场取样,在实验室进行了煤岩层的抗压、抗拉和抗剪试验,获得了保护层周围煤岩体的各种物理力学特性参数。
　　 ②基于煤层卸压的应力保护准则和变形卸压准则,建立了俯伪斜下保护层开采的有限元三维数值模型,对俯伪斜下保护层开采后覆岩的移动变形和卸压程度进行了数值模拟分析研究,并对被保护层的有效保护范围进行了分析和计算,确定了被保护层的有效保护范围。结果表明:保护层开采在倾斜方向的上部和下部卸压角分别为90°和80°,沿走向方向的卸压角在倾斜上、中、下部呈不均匀分布,其大小为44°～68°,安全起见按44°划定走向方向的卸压保护角。
　　 ③通过开展东林煤矿俯伪斜下保护层开采的现场试验,确定了研究区域内下保护层开采保护范围的现场实测结果。试验结果表明:采用马丽散固化剂结合水泥石膏浆机械封孔的方法能更好的密闭钻孔,使瓦斯压力参数的测定更加准确；保护层开采的倾向下部卸压角为83°,走向卸压角为45°,保护层工作面超前被保护层掘进工作面的最小距离为53 m。数值模拟计算和现场考察的结果比较接近,本文采用的数值模拟方法划定俯伪斜下保护层开采的保护范围是可行的。
　　 ④针对急倾斜煤层开采后冒落矸石在采空区沿倾斜方向的不均匀充填,在倾斜上部无充填,中部充填较弱,下部充填较为密实的情况。本文对充填体产生的支撑载荷进行了分析,建立了充填体对顶板的支撑载荷函数。
　　 ⑤根据弹性薄板理论,建立了基于采空区不均匀充填的俯伪斜下保护层开采后基本顶的移动变形和破坏的力学模型,推导出了俯伪斜基本顶的挠曲函数,并根据Marcus修正解计算和分析了基本顶初次破断的极限跨距；在此基础上提出了俯伪斜下保护层开采基本顶初次来压时的项板管理方法。
　　 ⑥基于关键层理论,采用理论计算分析和数值模拟的方法确定了急倾斜下保护层开采后上覆岩层中的关键层,并计算了关键层的初次破断距；结合现场的观测,分析了关键层的破断对覆岩移动变形、岩层中离层和裂隙的分布、被保护层瓦斯涌出及保护范围的影响。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究的目的及意义

1.2 问题的提出

1.3 国内外研究现状

1.3.1 保护层开采保护机理的国内外研究现状

1.3.2 保护层开采的国内外应用现状

1.3.3 保护层开采覆岩移动规律的研究现状

1.3.4 保护层开采保护范围的国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容、技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

2 俯伪斜下保护层开采矿井概况

2.1 矿井概况

2.2 保护层开采情况

2.3 煤岩层物理力学特性试验

2.3.1 保护层顶底板岩层的采集与加工

2.3.2 煤岩体单轴压缩变形试验

2.3.3 煤岩体抗拉强度试验

2.3.4 煤岩体抗剪强度试验

2.4 本章小结

3 俯伪斜下保护层开采保护范围的数值模拟分析

3.1 概述

3.2 有限元理论概述

3.3 数值计算模型的建立

3.3.1 强度准则的确定

3.3.2 计算模型

3.3.3 边界条件

3.4 数值模拟计算的结果分析

3.4.1 被保护层卸压应力变化规律

3.4.2 被保护层卸压的变形分析

3.5 被保护层的保护范围分析

3.5.1 保护准则的确定

3.5.2 被保护层保护范围的分析

3.6 本章小结

4 俯伪斜下保护层开采卸压范围的现场考察

4.1 概述

4.2 考察区域概况

4.3 现场考察方案

4.3.1 考察的主要指标

4.3.2 考察钻孔的布置

4.3.3 考察钻孔瓦斯参数的测定方法

4.4 现场考察结果分析

4.4.1 瓦斯动力参数考察结果

4.4.2 保护范围的确定

4.5 不同保护范围划定方法的结果对比

4.6 本章小结

5 急倾斜煤层开采覆岩移动规律

5.1 急倾斜煤层的赋存和开采特点

5.1.1 急倾斜煤层的赋存特点

5.1.2 急倾斜煤层的开采特点

5.2 急倾斜煤层开采覆岩移动及矿压显现的特点

5.3 俯伪斜采煤法基本顶的破断过程

5.3.1 俯伪斜基本顶力学模型的建立

5.3.2 基本顶承受的载荷计算

5.3.3 基本顶的挠度分析

5.3.4 俯伪斜基本顶的破断分析

5.4 基本顶初次来压时的顶板管理

5.5 本章小结

6 关键层对急倾斜下保护层开采保护效果的影响

6.1 概述

6.2 急倾斜开采覆岩中关键层的确定

6.2.1 关键层的判别

6.2.2 关键层的数值模拟计算

6.3 关键层对保护层保护效果的影响分析

6.3.1 关键层运动对岩层移动及保护范围的影响

6.3.2 关键层运动对覆岩离层和裂隙分布的影响

6.3.3 关键层破断对瓦斯运移的影响

6.3.4 被保护层瓦斯涌出现场考察

6.4 本章小结

7 结论与建议

7.1 本文研究的主要成果

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文目录:

B.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目: