煤系高岭土安全开采理论分析及试验研究

摘要

淮北朔里煤矿富含优质煤系高岭土，采用走向短臂后退式开采，直接跨落法管理顶板。项板极易冒落，沿空留巷变形大，爆破开采时易崩倒工作面支架，不能满足安全、高效生产的要求。通过相似模拟试验、数值模拟、理论分析和现场观测及分析，研究出了系统的适宜于该矿工作面顶板支护技术、爆破预裂法控制沿空留巷变形技术和高岭土爆破开采技术，探讨了工作面顶板跨落、矿压显现以及沿空留巷顶板围岩破坏规律和减少高岭土爆破震动方法。 利用相似材料模型试验得到高岭土开采顶板垮落规律、上覆岩层移动规律、应力分布规律，得到初次来压步距、周期来压步距、工作面超前压力影响范围等参数，为安全高效开采高岭土提供了指导。实测结果表明：相似模拟结果具有较强可信性，能满足生产服务要求；据此改金属摩擦支架为单体液压支架，提高了支架初撑力、稳定性，合理选择了支护密度以及控顶距等参数，确保了顶板稳定，实现了安全开采。 针对高岭土开采沿空留巷变形大等特点，提出了沿空留巷顶板预裂爆破技术。数值模拟与实测结果证明，对沿空留巷的顶板实施预裂爆破，工作面前方，沿空留巷的顶底板和两帮变形与无预裂面时相比几乎没有变化；而工作面后方，有预裂面时，顶底板变形明显减小。通过现场观测和分析发现，实施预裂爆破，直接顶板沿预裂面冒落，与无预裂面相比，冒落高度增加、周期来压强度减小并且来压步距也减小。顶板预裂爆破技术能明显减少工作面后方沿空留巷顶板变形。 沿空留巷钢围网矸石充填体具有及时提供支护阻力、可适应大变形的能力，并且钢围网可以重复利用，因此钢围网矸石充填可以作为一种巷旁支护形式。 针对煤系高岭土爆破震动大且工作面碎石抛掷作用强等问题，通过理论分析，提出了多段毫秒延时爆破技术，优化了起爆方式和顺序，增大了一次爆破规模，降低了爆破作业对顶板和支护设施的损伤，提高了作业安全性。 通过本文以上研究，初步建立起高岭土开采顶板支护、预裂爆破法控制沿空留巷变形和高岭土开采控制爆破的理论和技术。提高了高岭土开采的安全性。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2煤系高岭土安全开采技术及理论研究现状

1.2.1高岭土开采研究现状

1.2.2预裂爆破法控制沿空留巷变形技术研究状况

1.2.3国内外高岭土爆破开采技术研究现状

1.3研究内容

参考文献

第二章高岭土采场矿压显现规律相似理论模拟试验研究

2.1引言

2.2相似模拟试验基本要求

2.2.1原型条件

2.2.2模拟方案

2.2.3相似条件

2.3相似材料

2.3.1相似材料的选择

2.3.2材料用量计算

2.3.3材料配比确定

2.4模拟试验过程

2.4.1模型制作

2.4.2加载方式

2.4.3回采程序设计

2.4.4测试仪表及测点布置

2.5模拟试验结果分析

2.5.1顶板垮落规律

2.5.2顶板岩层移动规律

2.5.3围岩应力分析

2.6顶板垮落、上覆岩层移动、应力分布规律

2.6.1顶板垮落规律

2.6.2上覆岩层移动规律

2.6.3应力分布规律

2.7本章小结

参考文献

第三章高岭土采场矿压现场监测及工作面支护结构分析

3.1引言

3.2工作面矿压监测

3.2.1监测的目的

3.2.2所监测工作面地质及技术条件

3.2.3监测的内容与方法

3.3测压资料及其整理

3.3.1下缩量及压入顶底板深度数据整理

3.3.2底板移近量数据这整理

3.3.3支柱荷载及其分布数据整理

3.3.4采高统计

3.3.5实际支柱密度统计

3.3.6支柱初撑力及其频率分布数据

3.3.7运输平巷围岩变形数据的整理

3.3.8运输平巷超前支护阻力测试数据及整理

3.4利用工作面测压数据分析矿压显现规律

3.4.1顶板活动规律

3.4.2工作面矿压显现特征

3.4.3运输平巷超前支柱工作阻力显现特征及运输平巷变形特征

3.5工作面压力显现规律及分析

3.5.1工作面初次来压

3.5.2工作面周期来压

3.5.3运输平巷超前支柱工作阻力与围岩变形的分析

3.5.4工作面超前支护的范围

3.6回采工作面支护结构分析

3.6.1回采工作面支护与顶板相互关系分析

3.6.2工作面支架的选择及布置方式

3.6.3对DZ25单体支柱的校核

3.6.4工作面支柱初撑力分析

3.6.5 DZ25单体液压支柱布置方式

3.7工作面控顶方式选择

3.7.1控顶方式选择依据

3.7.2基本控顶距的初步确定

3.7.3合理控顶距的选择

3.8合理支护密度

3.8.1顶板支与护的关系

3.8.2工作面支护阻力

3.8.3合理支护密度

3.9本章小结

参考文献

第四章煤系高岭土开采顶板预裂爆破控制沿空留巷变形技术试验研究

4.1前言

4.2预裂爆破技术

4.2.1预裂爆破理论基础

4.2.2预裂爆破参数选取

4.2.3预裂爆破工程实践

4.3围岩变形、支护阻力观测与分析

4.3.1支柱荷载分析

4.3.2运输平巷超前支护阻力测试

4.3.3运输平巷围岩变形

4.3.4工作面后方固定测点的围岩变形

4.4顶板预裂对采场的数值模拟分析

4.4.1数值计算模型

4.4.2力学模型

4.4.3岩体力学性能参数

4.4.4切割缝参数设置

4.4.5模拟结果及分析

4.5顶板预裂法沿空留巷岩层控制

4.5.1预裂法留巷顶板破断基本规律

4.5.2悬臂梁结构受力分析

4.6沿空留巷支护技术

4.6.1沿空留巷巷内支护

4.6.2钢围网矸石充填支护

4.7本章小结

参考文献

第五章煤系高岭土爆破开采技术试验研究

5.1引言

5.2工程概况

5.3爆破开采设计原理

5.3.1采用毫秒微差爆破技术

5.3.2利用分散化原理

5.3.3实现等能爆破

5.3.4采用水垫层缓冲装药

5.4爆炸应力波作用下高岭土围岩内裂纹扩展规律

5.4.1冲击波作用形成的粉碎区

5.4.2裂隙区的应力及应力波作用下破坏区

5.5爆破技术参数

5.5.1钻眼设备和爆破器材

5.5.2爆破参数

5.6起爆方式和起爆顺序

5.7爆破开采试验

5.8本章小结

参考文献

第六章总结和展望

6.1本文主要研究工作

6.2研究工作的创新点

6.3展望

附录：发表的论文及成果