浅埋坚硬特厚煤层顶煤冒放性及其改善研究

摘要

本文针对陕西榆阳地区主采的3＃特厚坚硬煤层采用综合机械化放顶煤采煤方法时，普遍面临的坚硬顶煤冒落放出困难问题，在现场观测的基础上，采用理论分析和数值模拟相结合的综合研究方法，对浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤破断冒落结构特征进行了分析，给出该条件下顶煤冒放性评价的方法。根据坚硬顶煤不同的破断垮落结构特征，分析了坚硬顶煤冒放性改善的方法，并在千树塔煤矿11301综放工作面进行了工业性试验，验证了理论分析和数值模拟结果的正确性。
　　研究表明：（1）浅埋坚硬特厚煤层采用综放开采时，顶煤易形成“悬臂”结构，即一端位于实体煤侧的固支，另一端处于采空区侧的自由状态。悬臂顶煤受到上覆煤岩层的支承压力和支架的支撑作用，在垂直于工作面方向的拉应力达到顶煤体的抗拉强度时，悬臂顶煤将在此截面发生拉伸破断。随着工作面的向前推进，不同破断长度的悬臂顶煤块体在垮落过程中呈现不同的特征，形成“桥”式结构，搭在放煤支架掩护梁和采空区煤矸石堆上，阻碍上覆煤块的进一步垮落放出。（2）坚硬顶煤受到节理裂隙面的截割作用，形成不同形状的块体，顶煤块体在矿山压力和重力的作用下，沿着节理面发生相应的滑动垮落，垮落方向朝向采空区或者放煤支架两侧。顶煤块体在垮落的过程中，受到放煤空间的限制，容易在放煤口上方发生挤压并形成铰接“拱”结构，在支架的反复支撑和上覆煤矸石的垮落冲击作用下，此“拱”结构会发生失稳，致使某时间段内，放煤口大量顶煤块体被放出，在顶煤放出的过程中，顶煤块体又会形成“拱”结构，放煤口骤然出现无顶煤块体被放落现象。因此，坚硬顶煤块体在垮落过程中形成的“拱”结构会出现“平衡-失稳-平衡-失稳”循环往复现象。（3）依据坚硬顶煤破断垮落结构特征，令P等于坚硬顶煤悬臂长度或拱跨距除以放煤口的尺寸大小，得到“悬臂”顶煤结构和“拱”结构形式下的P值，并以此作为评价坚硬顶煤冒放性的指标。（4）分析采用深孔爆破弱化顶煤和采放工艺优化综合方法，减小坚硬顶煤“悬臂”长度，降低顶煤块体垮落成“拱”几率，提高坚硬顶煤的冒放性。上述改善方法在千树塔煤矿11301综放工作面进行了工业性试验，使得此工作面的顶煤回收率得到了显著的提高，为矿井创造了丰厚的社会经济效益。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 文献综述

1.3 改善坚硬顶煤冒放性研究存在的不足

1.4 研究内容

1.5 技术路线

2 浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放结构特征研究

2.1 坚硬特厚煤层基本物理力学特性

2.2 坚硬特厚煤层顶煤破断冒落结构分析

2.3 坚硬特厚煤层顶煤冒放性评价

2.4 本章小结

3 浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放结构数值模拟研究

3.1 PFC2D模拟软件简介及模拟参数的选择

3.2 PFC2D模拟顶煤破碎冒落结构分析

3.3 本章小结

4 浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤冒放性改善研究

4.1 深孔爆破预先弱化坚硬顶煤

4.2 采放工艺参数优化改善坚硬顶煤冒放性

4.3 工业实践

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 研究不足与展望

参考文献

致谢

附录攻读硕士期间参与的科研项目及发表论文情况