周源山煤矿综采工作面矿压规律研究

摘要

周源山煤矿近年来在推广综合机械化开采技术上进行了有益的探索和实践，由于南方复杂地质条件下实施综采的矿井不多，所能借鉴相似条件下的成功案例更少，矿井在探索实践综采技术过程中面临着许多问题，如采场矿压显现及其控制、综采液压支架在复杂地质条件下的适用特性、工作面开采参数对矿压的影响及其合理性等众多问题。围绕这些问题，在周源山煤矿首个综采工作面的开采过程进行了一系列的矿压观测，并结合理论分析和数值模拟对工作面矿压规律进行了相关的研究。
　　运用关键层理论和关键块的“S-R”稳定条件并结合UDEC数值模拟软件对22110综采面上覆岩层结构特征及开采过程中岩块运动规律进行了分析，得出:采场上覆岩层中共有三层亚关键层和一层主关键层，关键岩块最大回转角为9.4°，关键岩块满足“R”型回转失稳条件，控制老顶回转失稳支架工作阻力最小为173.34 KN/m2;应用离散元程序模拟得到基本顶初次来压和周期来压步距值分别为26.0m和11.3m，与理论计算值25.9m和10.6m相近。
　　通过现场矿压观测得到:22110综采工作面初次来压步距为24.5m，动压系数为1.72;周期来压步距为10.3m，动压系数为1.62。采场超前支承压力峰值在工作面上端出现在煤壁前10～15m，工作面下端出现在煤壁前3～8m。受超前支承压力影响煤壁前25m的区段回风平巷及煤壁前13m的区段运输平巷发生显著变形，区段回风平巷内顶板岩体松散破碎带发育深度为2.03m，区段运输平巷内发育深度为0.21m。工作面底板容许比压为9.4MPa，工作面顶板冒落灵敏度为74％。
　　采用数理统计及数据回归方法，对支架适用特性进行分析得出:工作面布置的ZY3400/12/28型综采液压支架在开采使用中，工作阻力利用率为0.389，设计初撑力利用率为0.492，支架工作阻力富裕量过大，初撑力严重偏低;计算得出支架初撑力需提高到25.3 MPa以上才能高效能地发挥支架性能。大倾角导致支架偏载严重，造成支架长时间处于恒阻式工作状态，影响初撑力对支架支护性能的提升。
　　针对周源山煤矿在复杂地质条件下实现对拉面开采以及后工作面超越前工作面开采的过程，应用FLAC3D数值模拟软件并结合现场实测结果，分析得出:两对拉面后工作面超越前工作面开采过程中，叠加支承压力应力集中系数和应力集中区离工作面端头的距离随错距的变化满足Gauss函数，两工作面对拉呈直线时，叠加支承压力应力集中系数最小，当后工作面超前至某一位置时，工作面端头矿压显现最为显著，在确定对拉面合理开采错距时应充分考虑避开这一区域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外矿山压力理论研究现状

1．3 研究内容和技术路线

第二章 上覆岩层结构特征及运动规律分析

2．1 上覆岩层物理力学特性

2．2 关键层的判识

2．2．1 坚硬岩层上部载荷计算

2．2．2 坚硬岩层极限跨距计算

2．2．3 工作面上覆岩层关键层判识结果

2．3 工作面顶板结构及其稳定性分析

2．3．1 关键层破断结构分析

2．3．2 关键岩块结构稳定性分析

2．3．3 控制老顶回转失稳支架工作阻力确定

2．4 工作面开采顶板岩层移动特性分析

2．4．1 UDEC数值模拟软件简介

2．4．2 建立模型

2．4．3 岩层移动特性分析

2．4．4 不同支护强度控顶效果分析

2．5 本章小结

第三章 22110综采工作面矿压显现特征

3．1 工作面概况

3．1．1 水文地质条件

3．1．2 开采布置状况

3．2 采场矿压观测及分析

3．2．1 矿压观测方案

3．2．2 工作面初次来压特性分析

3．2．3 工作面周期来压特性分析

3．2．4 采场超前支承压力分布及影响

3．2．5 工作面底板比压测试

3．3 工作面倾角对矿压显现特征影响分析

3．3．1 工作面倾角对顶板压力的影响

3．3．2 工作面倾角对支架支护特性的影响

3．3．3 工作面倾角对项板维护的影响

3．4 推进速度对矿压影响研究

3．4．1 推进速度对顶板运动影响理论分析

3．4．2 推进速度对矿压影响数值模拟分析

3．4．3 推进速度对矿压影响现场实测分析

3．5 本章小结

第四章 工作面综采液压支架适用特性分析

4．1 工作面综采液压支架受力特征分析

4．1．1 支架初撑力统计及分析

4．1．2 支架工作阻力统计及分析

4．1．3 支架左右立柱偏载特性分析

4．2 初撑力及端面距对支护性能及效果的影响

4．2．1 初撑力对支架工作阻力影响分析

4．2．2 端面距对支架控顶效果影响分析

4．3 顶板来压支架安全阀开启统计及分析

4．4 工作面附近爆破对支架的影响

4．5 本章小结

第五章 工作面对拉开采矿压规律研究

5．1 对拉面叠加支承压力形成过程分析

5．2 数值模拟研究

5．2．1 建模与开挖方案

5．2．2 落后面超前过程中采场叠加支承压力演变特征

5．2．3 落后面超前过程中叠加支承压力变化规律

5．2．4 叠加支承压力对顶板活动的影响

5．3 现场实测分析

5．3．1 矿压观测方案

5．3．2 采场矿压显现特性分析

5．3．3 错距段巷道矿压显现特性分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间的主要成果