采空区下坚硬顶板顶分层开采矿压显现及控制技术研究

摘要

神华宁煤汝箕沟煤矿主采煤层二2煤煤厚8.5m采用分层开采，与上部采空区间距为60m，其上覆岩层致密坚硬、完整性好。本文以3213(1)工作面为研究对象，采用现场实测、数值模拟、理论分析等方法，对采空区下坚硬顶板的运动发展规律进行了研究，并提出了采空区下工作面安全开采的技术措施。
　　采用了KJ-377矿压在线监测系统对3213(1)工作面支架工作阻力进行了在线监测，并结合工作面地质条件和围岩性质，分析了采空区下部3213(1)工作面的矿压显现特征，得出了采空区下部工作面在初次来压时，工作面顶板形成半O-X型裂隙圈，初次来压步距大、来压强度高。
　　根据3213（1)工作面综合柱状图及岩石物理力学性质参数，运用UDEC2D模拟软件模拟工作面不同采高、不同采深、不同煤层间距及上部采空区存在保护煤柱时，采空区下煤层坚硬顶板运动规律及上覆岩层“三带”高度。研究表明:
　　(1)随着采高的不断增大，在工作面上方顶板岩层中的拉伸破坏单元逐渐的增多，集中区应力集中程度有所增加，在工作面煤壁前方“应力集中区”距离工作面的位置也不断减小，且影响范围增大，初次来压期间的位移下沉值不断扩大，尤其是向上扩展的高度不断地增大，下煤层工作面采高的增大促进了“上三带”的发展。
　　(2)随着采深的增大，采空区下的工作面塑性破坏的扩展高度也断的增大，直至扩展到上部采空区，工作面前方的应力集中程度增大，应力集中范围扩大，垂直位移的向上扩展高度不断地增大，形成较为稳定的采动移动角也随着采深的增加而提早。
　　(3)随着煤层间距的加大，塑性破坏范围减小，煤层间距增大减小了上部采空区对下煤层开采的影响。工作面前方的应力集中程度减小，应力集中范围扩大，在煤层间距为40m时，岩层移动角扩展到了上部采空区。煤层间距为60m时，岩层移动角在垂直方向扩展了50m;煤层间距为80m时，岩层移动角沿垂直向上扩展了48m。
　　(4)上部采空区保护煤柱不同位置时，位于保护煤柱下部时塑性破坏和拉伸破坏格外严重，保护煤柱的位置的不同，“强应力集中区”的位置也随之发生变化，当工作面推进到保护煤柱之下时，顶板岩层运动位移增大，大位移增多并向采空区垂直方向发展。
　　对采空区下坚硬顶板垮落带和裂隙带岩层的运动规律进行分析，对工作面初次来压和周期来压的来压步距及来压强度进行计算，其垮落带的垮落高度范围为5.7～8.6m，直接顶第一次垮落步距37.0m～52.5m，周期垮落步距为9.2m～13.1m;第一岩梁第一次裂断步距为102.1m，周期裂断步距为34.03m，第二岩梁第一次裂断步距为111.7m，周期裂断步距为37.2m。采空区坚硬顶板的初次来压强度与工作面支架的承受能力相差不大。周期来压强度相对支架的承受能力较低。在初次来压和周期来压期间，支架的支护强度安全系数大于1，因此能满足支护需要。
　　运用强制放顶技术预防顶板大面积的来压，通过充填密封技术来实现工作面的安全开采与控制。采用深孔爆破强制放顶技术，对采空区下坚硬顶板进行预裂爆破，使工作面初次来压提前到来。采用充填密封技术，对工作面后方的采空区内进行充填密封，有效的阻止了采空区内的有害有毒气体涌迸工作面，大大减少了采空区下部工作面上覆岩层内的裂隙的发育及相互贯通的可能性，实现工作面的安全开采。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．2 国内外研究现状

1．3 主要内容及拟解决的关键技术

1．4 论文研究方法、技术路线、创新点

2 采空区下坚硬顶板工程地质条件

2．1 汝箕沟煤矿地质概况

2．2 3213(1)工作面概况

2．3 3213(1)综采工作面采煤方法和回采工艺

2．4 本章小结

3 采空区下坚硬顶板顶分层综采矿压显现实测研究

3．1 矿压监测方案

3．2 矿压显现特征分析

3．3 结论

4 采空区下顶分层开采坚硬顶板运动规律数值模拟

4．1 UDEC2D简介

4．2 数值模拟方案及参数选取

4．3 3213(1)工作面顶板运动规律数值模拟分析

4．4 采高对采空区下坚硬顶板顶分层开采覆岩运动的影响

4．5 采深对采空区下部煤层顶分层开采覆岩运动的影响

4．6 煤层间距对采空区下坚硬顶板顶分层开采覆岩运动的影响

4．7 上煤层保护煤柱对下工作面顶分层开采覆岩运动的影响

4．8 本章小结

5 采空区下部煤层开采覆岩运动规律分析

5．1 采空区下部煤层垮落带运动规律分析

5．2 采空区下部煤层裂断带运动规律分析

5．3 采空区下部工作面坚硬顶板来压强度

5．4 采空区下部工作面支架选型设计

5．5 本章小结

6 汝箕沟煤矿采空区下坚硬项板控制技术研究

6．1 采空区下部工作面深孔爆破强制放顶技术设计

6．2 工作面采空区充填密封技术设计

6．3 本章小结

7 主要结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要成果