孙疃矿1026孤岛采场覆岩运动规律及矿压显现研究

摘要

孤岛采场是指上下两侧都是采空区或其中一侧为分界断层，停采线一侧为采空区的采场。受周围采空区的影响，孤岛采场矿压显现剧烈，围岩破坏严重，孤岛采场及其周边顺槽应力集中程度比较高（尤其是侧向支承压力），孤岛开采沿空平巷巷道围岩变形严重，导致巷道支护困难，并且应力集中区还存在煤与瓦斯突出及冲击矿压的危险。
　　本文以孙疃煤矿1026孤岛采场为工程背景，首先研究了孤岛采场在竖向剖面和水平层面上的覆岩整体空间结构，发现孤岛采场覆岩整体空间结构是动态演变且不稳定的，比普通采场覆岩空间结构影响范围大，孤岛采场复杂的覆岩空间结构是造成其矿压显现特征强于普通采场的主要原因。然后运用弹性薄板的知识，对两侧采空孤岛采场老顶不同运动阶段建立薄板力学模型，得到孤岛面老顶不同阶段的弯矩、应力和挠度规律。并结合极限分析的方法，得到孤岛面老顶初次破断和周期破断步距。然后用FLAC3D对1026孤岛采场建立三维模型，模拟研究了采场开采前和开采过程中的围岩应力、位移及塑性区等演变特征，并研究了护巷煤柱不同方向上的应力及位移演变特征，研究得到:鉴于上下采空区上覆岩层的影响，导致1026孤岛采场处于应力集中区，矿压显现强烈;两煤柱应力及位移状况差别很大，由于地球重力的影响，上煤柱的应力及位移数值都比下煤柱小。上下煤柱铅垂应力最大值分别为28MPa和35MPa。上下煤柱水平位移最大值分别为175mm和225mm。最后对1026孤岛采场进行液压支架阻力、两巷深部位移及风巷表面位移的监测，由监测结果可知:直接顶初次垮落步距为19.2m，老顶初次来压步距为22.54m，老顶周期来压步距为9.79m。通过绘制液压支架工作阻力频率分布直方图，结果表明，1026孤岛采场上部和下部的液压支架在现实工作中效率不是很高，没有到支架的额定工作阻力，中部的液压支架选型基本满足1026孤岛采场的生产需求，液压支架工作阻力分布的高频区域基本都在15MPa到25MPa之间。由回风巷表面位移监测可知，随着观测断面与孤岛采场之间距离的减小，两帮变形位移不断增大，总的来说顶底板相对位移量比两帮要大，而三个观测断面的顶底板最终变形位移基本相当，位移峰值维持在200mm左右。由两巷的深部位移观测可获知，两巷顶板变形比帮部变形小，与采场相隔43.8m之内的区域，开采的时候围岩活动非常强烈，故距离采场还有43.8m之时就必须要对两巷实行补强支护。并且还发现:随着测点在钻孔内深度的增加，顶底板位移和两帮位移也不断增加，其原因是深部测点处于巷道围岩的弹性区，而浅部测点处于巷道围岩的塑性区，而塑性区围岩已经发生破坏，所以变形较小。
　　故而研究孤岛采场于开采过程中的顶板活动规律，能够更深层次地了解矿压显现问题，对控制两巷及煤柱变形、减少煤炭浪费、改善煤矿经营状况都有着不小的作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 孤岛采场覆岩空间结构研究现状

1．3．2 孤岛采场上覆岩层运动研究现状

1．3．3 孤岛采场矿压显现研究现状

1．4 存在的问题

1．5 研究内容与方法

1．6 研究技术路线

2 1026孤岛采场开采地质、技术条件

2．1 1026孤岛采场位置

2．2 1026孤岛采场煤层情况

2．3 1026孤岛采场顶底板情况

2．4 1026孤岛采场附近断层

2．5 1026孤岛采场水文地质

2．6 1026孤岛采场瓦斯地质

2．7 影响1026孤岛采场回采的其他因素

2．8 1026孤岛采场回采工艺

2．9 1026孤岛采场主要设备及其技术参数

2．9．1 刮板运输机选型

2．9．2 采煤机选型

2．9．3 支架选型

3 孤岛采场覆岩空间结构及破断机理

3．1 孤岛采场覆岩空间结构形态分析

3．1．1 孤岛采场竖向剖面覆岩结构特征分析

3．1．2 孤岛采场水平层面覆岩结构特征分析

3．2 薄板理论简介

3．2．1 薄板概念及基本假设

3．2．2 薄板理论的基本力学方程

3．3 孤岛采场老顶破坏力学模型分析

3．3．1 孤岛采场老顶破断前的力学模型分析

3．3．2 孤岛采场老顶破断后的力学模型分析

3．3．3 孤岛采场老顶周期破断的力学模型分析

3．4 孤岛采场老顶断裂步距的计算

3．5 本章小结

4 1026孤岛采场数值模拟研究

4．1 FLAC3D软件介绍和特点

4．1．1 FLAC3D软件介绍

4．1．2 FLAC3D软件的主要特点

4．2 1026孤岛采场模型建立及模拟方案

4．3 1026孤岛采场数值模拟结果分析

4．3．1 1026孤岛采场采场围岩结果分析

4．3．2 1026孤岛采场煤柱结果分析

4．4 本章小结

5 1026孤岛采场矿压显现特征分析

5．1 1026孤岛采场矿压监测内容及方法

5．2 1026孤岛采场矿压显现规律

5．3 1026孤岛采场巷道围岩变形位移分析

5．3．1 表面位移

5．3．2 深部位移

5．4 本章小结

6 主要结论与不足

6．1 主要结论

6．2 不足

参考文献

致谢

作者介绍和读研阶段科研成果