深井综放开采区段煤柱合理宽度研究

摘要

随着煤炭资源的不断开发，越来越多的煤矿已经进入深部开采。相较浅部资源的开采，深部煤层开采时煤体的赋存条件与应力环境有明显不同。为了确保煤炭资源的安全、高效开采，与深部开采相关的煤柱合理宽度研究显得尤为重要。本文以潞安西部矿区的地质资料和生产实际为依托，采用理论分析、数值模拟、现场实测的综合方法，取得一些研究成果，对深井综放面合理留设煤柱尺寸提供了一定参考。
　　(1)通过对深井综放面煤柱上覆岩体破断结构、区段煤柱强度、载荷、塑性区及应力分布规律的研究，分析了区段煤柱覆岩破断结构保持稳定的平衡条件及区段煤柱稳定性的主要影响因素。
　　(2)基于深部开采区段煤柱宽度留设的基本原则，以潞安西部矿区3号煤层为地质条件，在理论研究的基础下，通过力学理论分析、基本假设、建立模型、力学计算等手段得出了确定深井综放工作面区段煤柱合理尺寸的理论计算公式B≥L+αd(x0+x1)。通过运用正交试验方法，采用五因素五水平正交组合设计，研究深井综放工作面煤柱宽度、煤柱高度、煤层厚度、埋藏深度、煤层普氏硬度系数等五个因素对煤柱核区率η的影响，运用FLAC3D数值模拟软件对25个正交试验方案进行数值模拟计算，得到煤柱核区率线性方程及煤柱宽度留设的数值计算公式。
　　(3)以潞安西部矿区的屯留煤矿为工程应用实例，根据矿井实际情况，应用本文的提出的煤柱宽度理论计算公式和数值计算公式，得出了屯留矿综放工作面合理区段煤柱宽度，通过相应的数值模拟以及现场矿压监测对煤柱留设宽度的合理性作相应分析，初步检验了理论研究的正确性。同时本文结论也为潞安西部矿区其余煤矿区段煤柱合理尺寸的留设问题提供了思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 课题国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 深部开采煤柱留设相关研究

1．2．2 煤柱留设理论研究现状

1．2．3 煤柱留设方法研究现状

1．3 研究内容、方法和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

第二章 深井综放工作面区段煤柱留设理论分析研究

2．1 区段煤柱与上覆岩体形成的力学结构

2．1．1 采场上覆主关键岩层断裂在煤柱上形成的“砌体梁”结构

2．1．2 上区段老项岩层断裂在煤柱上形成的破断结构

2．1．3 老顶岩层在区段煤柱处的断裂位置对区段煤柱的影响

2．2 区段煤柱的载荷及应力分布规律研究

2．2．1 煤柱载荷概述

2．2．2 煤柱载荷的时间相关性分析

2．2．3 区段煤柱应力分布规律

2．2．4 区段煤柱的受力变形过程

2．3 区段煤柱强度分析

2．3．1 煤柱强度概述

2．3．2 采掘重复加载—卸载对区段煤柱强度的影响

2．4 区段煤柱稳定性的主要影响因素

第三章 区段煤柱合理留设宽度理论确定

3．1 煤柱宽度留设的基本原则

3．2 区段煤柱塑性区宽度计算

3．2．1 基本假设

3．2．2 基本方程

3．2．3 求解方程

3．3 中心弹性核区煤柱破坏尺寸

3．3．1 基本假设

3．3．2 方程建立及求解过程

3．4 区段煤柱宽度留设的合理确定及其影响因素分析

3．4．1 区段煤柱合理煤柱宽度计算公式

3．4．2 区段煤柱宽度影响因素分析

3．5 本章小结

第四章 区段煤柱合理留设宽度数值模拟确定

4．1 矿区及煤层概况

4．1．1 矿区概况

4．1．2 主采煤层地质及开采技术条件

4．2 工作面煤柱留设数值模拟方式确定

4．3 工作面煤柱留设数值模拟软件介绍

4．4．工作面煤柱留设数值模拟模型的建立

4．4．1 模型的建立及参数的确定

4．4．2 模拟过程及采空区的模拟

4．5 不同方案下煤柱塑性区分布规律

4．6 正交试验数据的整理及回归分析

4．6．1 极差分析

4．6．2 因素的显著性检验

4．6．3 正交试验数据的回归分析

4．6．4 多元线性回归方程的求法

4．6．5 煤柱核区率线性方程拟合

4．6．6 多元回归方程的相关系数显著性检验和方差分析检验

4．6．7 煤柱核区率线性回归方程的检验分析

4．7 综放工作面区段煤柱宽度的数值计算公式确定

4．7．1 煤柱稳定核区概念

4．7．2 煤柱宽度数值计算公式确定

4．8 本章小结

第五章 工程应用

5．1 工程概况

5．1．1 矿井概况

5．1．2 3号煤层地质条件概述

5．2 区段煤柱宽度公式计算

5．2．1 区段煤柱宽度理论计算公式确定煤柱宽度

5．2．2 区段煤柱宽度数值计算公式确定煤柱宽度

5．3 屯留煤矿综放工作面区段煤柱宽度数值模拟分析

5．3．1 下区段工作面回采时塑性区分布情况分析

5．3．2 下区段工作面回采时垂直应力分布特征分析

5．3．3 煤柱宽度对下区段工作面顺槽变形规律

5．4 现场矿压监测

5．4．1 矿压监测内容和方法

5．4．2 矿压监测效果分析

5．5 本章小结

第六章 主要结论和不足

6．1 主要结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文