近距离煤层群下位工作面覆岩运动特征及矿压显现规律研究

摘要

近距离煤层群在我国分布广泛，一般煤田的可采煤层从单层到数十层，煤层间的岩层厚度从零点几米到上百米不等，国内煤层群的开采方法以下行开采为主。下行开采时，上层煤采动改变了其覆岩的整体性和稳定性，并对底板岩层造成一定深度的破坏作用；下层煤开采时面临着破碎顶板以及上层遗留煤柱和采空区带来的支承压力影响，其覆岩破断和移动具有不同于单层煤开采的特征，如易发生顶板漏、冒，支架压死等事故。但目前学界对于近距离煤层群的研究集中于下部煤层回采巷道布置及支护方式方面，而对近距离煤层群下位工作面上覆岩层运动破断特征和其对工作面及回采巷道矿压显现规律影响的研究相对较少。因此，为实现近距离煤层群的安全高效生产，有必要对近距离煤层群开采时覆岩结构特征和运动规律及其对下位工作面矿压显现规律的影响进行研究。本文以华晋焦煤有限公司沙曲矿近距离煤层群5号煤层25301工作面为研究对象，通过实验室试验、现场实测、理论分析以及数值模拟结合的方法对上层4号煤开采底板破坏，下位综采工作面层间覆岩结构、液压支架承载特征及覆岩结构运动过程进行了系统的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过理论分析和数值模拟，研究分析了3+4号煤层开采及5号煤层重复采动过程中采动应力对底板的破坏作用，对底板破坏的区域、形态、发育过程和拓展深度进行了深入的研究，结果表明底板破坏由采动应力对底板原生裂隙的起裂张开作用产生，破坏区域与底板卸压区重叠，一般呈倒三角形或梯形分布。为近距离煤层群的定义、层间相互影响大小及底板突水的研究提供基础和依据。⑵依据近距离煤层群层间覆岩强度厚度等特征，对层间覆岩结构按照有无基本顶结构和基本顶结构形态分为三类，即：层间无基本顶结构、层间“砌体梁”结构及层间“悬臂梁”结构。并根据三种煤层间结构模型，建立了三种近距离煤层工作面对应的“支架—围岩”关系模型，并确定了不同模型下支架工作阻力计算公式。⑶采用UDEC数值模拟软件对3+4号煤层及5号煤层工作面回采过程中，上覆岩层结构运动过程进行研究。结果表明开采下部5号煤层时，由于本煤层与上部已采4号煤层之间存在的夹层有稳定的砂岩结构，可形成基本顶结构，随工作面推进，本煤层基本顶逐渐达到顶板的抗拉极限发生周期性断裂，同时上煤层已断裂并重新达到平衡结构的基本顶也滞后一段距离内发生回转变形，虽仍能保持铰接结构，但对工作面来压现象也会造成一定影响。5号煤层上覆的主关键层结构及3+4号煤层基本顶结构承担了大部分上覆岩层的载荷，因此，当煤层间存在坚硬基本顶结构时，下位工作面来压受本煤层基本顶周期性断裂的影响及上部煤层基本顶铰接平衡结构的控制作用。⑷通过对沙曲矿25301工作面矿压显现规律进行实测研究，结果表明，工作面超前支承压力影响范围和强度较小，回采巷道在工作面回采期间变形量仅为30mm～50mm；工作面的周期来压现象并不明显，对工作面稳定性的影响较小，液压支架工作面阻力大多分布在12～32MPa（即1772.6～4726.9kN）之间，都小于或者和初撑力4653kN持平，富余量偏大，使用效率一般或偏低。说明下位工作面的矿压显现较为温和，上位工作面覆岩结构运动过程对下位工作面的影响较小。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义（Introduction of the Problem and the Meaning of the Research）

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.3 研究地点概述（General Geological Engineering Situation of the Research Area）

1.4 研究内容、方法和技术路线（Research Contents, Method and Technical Route）

2 煤岩物理力学性质试验

2.2 试验结果及分析（Test Result and Its Analysis）

2.3 本章小结（Brief Summary）

3 近距离煤层群层间覆岩结构特征

3.2 近距离煤层底板破坏深度（Floor Damage Depth in Close Seams）

3.3 煤层间覆岩结构（Strata Structure Between Coal Seams）

3.4 近距离煤层支架—围岩关系（Relationship Between Hydraulic Support and Surrounding Rock in Coal Seams）

3.5 本章小结（Brief Summary）

4 近距离煤层群覆岩运动特征数值模拟研究

4.1 数值模拟模型的建立（Establishment of Numerical Simulation Model）

4.2 重复采动底板破坏（Floor Damage After Repeated Mining）

4.3 近距离煤层覆岩结构运动特征（Overburden Structure Movement Characteristics in Close Seams）

4.4 本章小结（Brief Summary）

5 近距离煤层群矿压显现规律实测研究

5.1 矿压观测目标与方案（Goal and Scheme of Ground Pressure Monitoring）

5.2 矿压观测结果分析（Result Analysis of Ground Pressure Monitoring）

5.3 本章小结（Brief Summary）

6 主要结论

参考文献

作者简历

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