坚硬顶板大采场围岩控制技术研究

摘要

在煤矿开采过程中，煤层上的坚硬顶板是造成煤矿事故的主要灾害之一。坚硬顶板会导致悬顶面积很大，突然冒落带来的冲击动压对井下设备和工作人员造成危害，给煤矿安全生产带来极大的隐患。本文以15202工作面为工程背景，在详细分析和总结前人已有研究成果的基础上，采用现场实测、理论分析和数值模拟相结合的手段，研究了大采高开采的采场矿压特征。
　　本研究主要内容包括：⑴通过针对大采高坚硬顶板所建立的“梁”和“板”力学模型进行分析比较，确定关岭山煤业15＃煤层采用“梁”的力学模型进行计算。⑵通过力学分析建立了两端固支梁力学模型，在“梁”的力学模型的基础上，并在考虑了煤岩体物理力学性质非均匀性的情况下，计算得到了顶板初次来压步距为41.81m;建立了悬臂梁力学模型，在“梁”的力学模型的基础上，并在考虑了煤岩体物理力学性质非均匀性的情况下，计算得到了顶板周期来压步距为19.47m。⑶对坚硬顶板覆岩破断规律进行力学分析，分析表明:大块度的作为直接顶关键层的坚硬顶板在破断后并不是整体作用在支架上的。由于其长度通常较大，重心通常位于支架后方，导致破断岩块发生回转运动。破断岩块的回转运动导致其与前次破断的、垮落在采空区的岩块形成咬合，咬合形成了岩块间的摩擦阻力降低了支架实际所需承担的载荷。⑷力学分析表明，对于坚硬顶板大采高采场，除了直接顶层位存在“关键层”外，在直接顶上覆岩层中存在坚硬的岩层，即“主关键层”。该岩层破断后能够形成结构，对其上覆岩层进行控制。力学计算可得，在考虑备用系数的情况下每延米阻力为RH=4821.4KN/m，每架支架支架载荷为8437.44KN。⑸数值模拟可得顶板初次来压步距为35.91m，周期来压步距为15.86m，数值模拟结果与理论计算的周期来压有一定的差距。分析可以看出，由于模拟软件考虑了煤岩体非均匀性和实验室测定煤岩体参数相对现场的差异导致模拟所得的破断步距相对较小，但却是合理的。⑹矿压观测结果表明支架载荷实测统计估算结果为8664.09KN～8715.37KN，综采工作面选用的支架为ZZ8800/25/50，能够满足工作面对顶板控制的要求。15202工作面支架的初撑力利用率较好，能够满足工作面对顶板的控制要求。工作面前方煤壁总体压力较小，影响范围较小，15202工作面顺槽超前支护长度为20m，能够满足工作面安全生产的要求。初撑力均值在工作面中部最大，上部和下部次之，中上部和中下部最小。循环末阻力均值与时间加权平均工作阻力均值沿工作面变化趋势相同，表现为工作面中部架阻力最大，两侧支架阻力向两边递减。支架来压时平均阻力、来压时最大阻力、非来压时平均阻力的均值沿工作面具有相同的变化趋势，表现为中部架阻力最大，两侧支架阻力向两边递减。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．2．1 采场围岩控制研究

1．2．2 坚硬顶板采场围岩控制研究

1．2．4 现阶段研究存在的问题

1．3 研究的主要内容和方法

1．4 项目研究的技术路线

第二章 坚硬顶板大采高工作面概况

2．1 地质条件

2．1．1 工作面位置及井上下关系

2．1．2 地质构造、煤层赋存情况及其开采条件

2．1．3 顶板岩石及煤样力学参数

2．2 回采工艺

2．3 工作面顶板控制

第三章 坚硬顶板大采高工作面来压特征分析

3．1 初次来压的力学模型

3．1．1 岩梁力学模型

3．1．2 岩板力学模型

3．1．3 两类模型的选择

3．2 初次来压步距及支护强度计算

3．2．1 各段岩层载荷的计算

3．2．2 初次来压步距

3．2．3 初次来压强度计算

3．3 周期来压的力学模型

3．3．1 周期来压步距计算

3．3．2 周期来压强度计算

3．4 坚硬顶板大采高采场上覆岩层移动规律分析

第四章 大采高坚硬顶板工作面来压特征数值模拟分析

4．1 RFPA模拟软件

4．2 初次来压规律的数值分析

4．2．1 数值模型

4．2．2 数值分析

4．3 周期来压规律的数值分析

4．3．1 数值模型

4．3．2 数值分析

第五章 15202工作面矿压观测

5．1 矿压观测方案

5．1．1 矿压观测目的

5．1．2 矿压观测内容与方法

5．1．3 观测站(线、点)布置

5．1．4 观测仪器

5．2 判据准则的确定

5．3 顶板来压特征分析

5．4 支架工作阻力分析

5．4．1 循环末阻力分布

5．4．2 时间加权平均阻力分布

5．4．3 初撑力分布

5．5 支架前后柱阻力分析

5．6 沿倾向支架工作阻力分析

5．7 工作面超前支承压力观测结果分析

5．8 支架对顶板的适应性分析

5．8．1 支架初撑力适应性

5．8．2 支架工作阻力适应性

第六章 结论和展望

6．1 主要结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目