易自燃近距离煤层群开采下位回采巷道位置及漏风通道控制研究

摘要

我国近距离煤层群分布广泛，大部分开采顺序以下行开采为主，由于煤层层间距较小，煤层之间的采动影响较大，覆岩结构受多次采动影响，裂隙发育程度高、破坏范围大，给工作面围岩稳定性、瓦斯灾害、水害及火灾等方面的预防控制带来很大的难度。因此，研究易自燃近距离煤层群下行开采过程中的回采巷道合理布置以及采空区漏风通道的控制方法，对于安全高效开采具有重要的指导作用。
　　本文以近距离煤层群开采为研究对象，综合运用实验测试、理论分析、计算机仿真模拟及现场工程实践的研究方法，对易自燃近距离煤层群开采下位回采巷道布置及漏风通道防控关键技术进行了研究。
　　（1）研究测试了南屯煤矿主采煤层的自燃特性参数，确定了煤层的自燃发火类型；利用PFC离散元数值系统探讨了上、下煤层开采后顶底板围岩裂隙通道发育演化规律，根据采空区气体渗流及渗透系数变化，分析了上层煤采动后形成的采空区孔隙率区域分布特征；通过对裂隙通道以及采空区孔隙区域特征的综合分析结果，有效划分了上层煤采空区自燃危险区域，为下层煤回采巷道的合理布局提供了依据。
　　（2）建立了煤层开采底板应力传播力学模型，求解了底板应力的解析解，得到了基于漏风控制的下位煤层回采巷道布置合理位置的判别公式，结合上层煤采空区自燃危险区域的划分，最终确立易自燃近距离煤层群采空区下回采巷道的合理位置的确定方法。
　　（3）根据近距离煤层开采的裂隙通道演化规律及防漏风要求，分析了桁架锚索加固支护和控制裂隙发育的机理，提出了裂隙区域巷道围岩的桁架锚索加固支护方案及裂隙通道封闭控制措施。
　　（4）利用上述理论及数值模拟确定的相关参数和措施，在南屯煤矿九采区进行了工业性试验，验证了下位煤巷道布置位置的合理性和对上层煤采空区自燃危险的抑制作用。

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1 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 近距离煤层群开采现状研究

1.2.2 煤的自燃特性及采空区漏风自燃灾害控制研究现状

1.2.3 近距离煤层群裂隙带内巷道围岩支护技术研究现状

1.3 研究方法与研究内容

1.4 技术路线

2 南屯煤矿3煤层自燃危险特性实验研究

2.1 煤自燃进程的热重分析实验

2.1.1 实验装置及条件

2.1.2 实验结果

2.1.3 特征温度分析

2.2 南屯煤矿3上煤层自燃特性参数测试

2.2.1 实验装置

2.2.2 实验方案

2.2.3 实验数据分析

2.3 本章小结

3 近距离煤层开采裂隙通道发育规律与自燃危险区域划分

3.1 工程概况

3.1.1 采区概况

3.1.2 工作面开采条件

3.1.3 围岩结构

3.2 颗粒流离散元软件数值模拟原理

3.2.1 数值模型中黏结本构模型

3.2.2 离散元数值模拟宏细观参数选取与反演

3.3 数值模拟模型的建立

3.4 近距离煤层开采裂隙通道发育规律研究

3.4.1 3上煤层开采期间底板裂隙发育规律

3.4.2 3下煤层开采超前巷道围岩裂隙通道发育规律

3.5 3上煤层采空区自燃危险区域划分

3.5.1 3上煤层采空区孔隙率变化特征

3.5.2 基于3上煤层采空区气体渗流及渗透系数分析的自燃危险区域划分

3.6 本章小结

4 下位回采巷道合理位置及裂隙控制加固技术

4.1 采动影响区内下煤层巷道合理位置布置

4.1.1 采场支承压力分布规律

4.1.2 煤层底板应力分布计算

4.1.3 近距离采空区下合理回采巷道位置研究

4.2 巷道围岩裂隙控制加固支护技术

4.2.1 破碎薄顶板支护技术选择

4.3 破碎顶板桁架锚索支护参数数值分析

4.3.1 不同顶板锚索倾角支护效果分析

4.3.2 不同锚索预应力巷道支护效果分析

4.3.3 不同夹矸层厚度巷道支护效果分析

4.4 本章小结

5 工程应用

5.1 93下12工作面回采巷道合理位置及支护设计

5.1.1 工作面回采巷道合理位置

5.2.2 回采巷道合理支护设计

5.2 93下12工作面回采巷道防漏风技术

5.2.1 沿空巷道防漏风

5.2.2 实体煤巷道防漏风

5.3 工程应用效果分析

5.3.1 巷道支护效果分析

5.3.2 巷道防漏风效果分析

5.4 本章小结

6 主要结论与展望

6.1 主要结论

6.2 本文主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士期间主要成果