上榆泉矿10＃煤开采煤柱下应力分布规律及应用研究

摘要

煤炭作为工业的粮食，是经济发展的动力。如何保障矿井安全高效生产，是不容忽视的问题。近年来，随着采矿技术以及设备的进步，尤其是综采以及放顶煤和大采高等高效采矿技术的应用，采煤强度增加，赋存条件相对较好的煤层资源开采已经接近尾声。为了提高煤炭产量，增加矿井服务年限，对于开采难度较大的煤层群特别是近距煤层的开采越来越受到采矿界的重视。
　　上榆泉矿9＃和10＃煤层间距为3m~20m，平均间距约为8m，属于近距煤层，由于层间距小，开采煤层时相互影响较大。目前9＃煤回采已经结束，上覆岩层运动变化以及采矿技术因素将直接影响10＃煤层综放采场的矿压显现。本文以南翼I031001工作面为研究对象，该工作面82＃～94＃液压支架位置上方存在9＃煤层遗留的顺向煤柱，宽度为20m，将影响工作面的整个开采过程。在理论分析的基础上，结合数值模拟方法以及现场实测，对近距煤层上煤层煤柱下底板煤岩体的应力分布规律，下煤层工作面开采来压期间冲击矿压发生和合理制定防冲消冲措施以及下煤层回采巷道布置和支护形式进行较深入的研究。主要研究结论有：
　　（1）9＃和10＃煤层间距较小，开采9＃煤层形成的上覆岩层稳定结构会影响10＃煤层开采时的矿压显现。根据近距煤层开采层间顶板稳定性的力学判据即层间顶板安全开采厚度，砂岩顶板条件下：在9＃煤层采空区下，不考虑支架支撑作用，上榆泉矿近距煤层最小安全开采间距即层间顶板厚度应大于3.24m，在考虑工作面液压支架支撑作用的前提下，层间顶板厚度最小可降到2.59m；在9＃煤层遗留煤柱下，不考虑支架支撑作用，上榆泉矿近距煤层最小安全开采间距即层间顶板厚度应大于40.9m，在考虑工作面液压支架支撑作用的前提下，层间顶板厚度最小可降到40.7m。所以，在9＃煤层采空区下，不采取任何特殊措施，9＃和10＃煤层的层间顶板厚度满足安全开采要求，在9＃煤层煤柱下，由于层间顶板厚度小于最小安全开采间距，需要采取特殊措施保障10＃煤层安全开采。
　　（2）根据SMP准则，预测9＃煤层回采后遗留煤柱的塑性区范围为4m，煤柱支承应力分布呈马鞍形，在煤柱中部存在弹性应力核，煤柱强度满足护巷要求，属于稳定煤柱。在煤柱下煤岩体的水平方向，深度相同时，距煤柱应力峰值位置越近，应力越大，反之则越来越小；在竖直方向，随垂距增加，应力不断减小。在距数值模型底部边界26m范围内，9＃煤遗留煤柱下方煤岩体的应力超过原岩应力，煤柱集中应力影响范围远远大于两煤层8m的平均间距，所以10＃煤层开采受煤柱影响较大。
　　（3）将9＃和10＃煤层的层间顶板视为固支梁和悬臂梁，预测 I031001工作面初次来压与周期来压步距，理论计算得初次来压步距为28m，周期来压步距为12m。分析I031001工作面冲击矿压的诱发因素，得到该工作面回采过程中，引发冲击矿压的因素包括工作面来压期间顶板的活动以及工作面上方的顺向遗留煤柱形成的应力集中在下部工作面积聚的应变能。数值模拟结果表明，工作面回采过程中，煤柱下煤壁前方支承应力影响范围大于采空区下方煤壁前方支承应力影响范围。通过在模拟软件中定义变量ze为应变能，I031001工作面回采过程中，尤其在来压期间，煤柱下方工作面的应变能较大，为3×104J/m3。由于煤柱下方的工作面积聚着较大的应变能，极易发生冲击矿压，需要制定具体的防冲消冲措施。
　　（4）10＃煤层工作面的回采顺槽适合采用内错布置方式，水平错距不小于8m。目前I031001工作面巷道布置已定，巷道布置合理，围岩稳定性好，易于巷道维护。通过现场选取断面，采用超声波法实测，回采巷道围岩的平均松动圈范围为1.34m。基于悬吊理论设计支护参数，顶板锚杆长度不能小于1.65m，锚索长度不能小于7.7m，巷帮锚杆长度不能小于1.4m。在实际生产过程中，巷道顶板选取长度为1.8m的锚杆，长度为8.0m的锚索，巷道两帮选取长度为1.6m的锚杆，参数选取以及布置方式等符合技术要求，具有足够的支护强度，巷道围岩趋于稳定。
　　本文系统研究了顺向煤柱影响下工作面回采过程中应力分布、冲击矿压以及巷道布置和支护问题，可为今后其它类似条件工作面安全开采提供借鉴。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容以及研究方法

第二章 近距煤层开采方法及安全开采间距研究

2.1 近距煤层开采方法

2.2 上榆泉矿9#和10#煤层地质条件

2.3 上榆泉矿近距煤层安全开采间距研究

2.4 本章小结

第三章 上榆泉矿9#煤顺向煤柱下应力分布研究

3.1煤柱上支承应力分布规律研究

3.2 上榆泉矿顺向煤柱应力分布规律研究

3.3 煤柱下应力传播规律研究

3.4 9#煤煤柱下应力分布数值模拟研究

3.5 本章小结

第四章 上榆泉矿10#煤开采煤柱下冲击矿压研究

4.1 上榆泉矿I031001工作面冲击矿压影响因素及预测方法

4.2 上榆泉矿10#煤层冲击矿压理论研究

4.3 上榆泉矿10#煤层冲击矿压数值模拟研究

4.4 煤柱下冲击矿压防治措施

4.5 本章小结

第五章 上榆泉矿9#煤煤柱应力分布应用研究

5.1 回采巷道布置方式及错距分析

5.2 I031001工作面回采顺槽巷道松动圈实测及分析

5.3 I031001工作面回采顺槽巷道支护设计

5.4 I031001工作面回采顺槽巷道支护参数评价

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和参与的科研项目