本文選題：錯層位　切入點：煤柱　出處：《中國礦業(yè)大學(北京)》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：本文充分運用理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬及FLUENT數(shù)值模擬三種方法對錯層位開采保護層底板巖層的裂隙發(fā)育、卸壓效果及煤與瓦斯共采技術進行了綜合研究,首先對錯層位巷道布置進行了簡單介紹,在此基礎上對回采工作面的底板破壞機理與破壞深度展開研究,得到底板破壞深度的計算方法,并確定應力大小是影響底板破壞深度的主要因素之一為了得到應力大小,建立彈性薄板力學模型,結(jié)合關鍵層理論得到應力的計算方法,進一步結(jié)合底板破壞深度的計算公式,完善了底板破壞深度的計算公式為：在得到底板破壞深度判定準則的基礎上,對留煤柱護巷、沿空掘巷以及無煤柱搭接三種情況的底板破壞進行分析,得到三種情況下底板的不同破壞情況。同時,進一步對錯層位巷道無煤柱搭接工作面的底板破壞深度進行修正,得到無煤柱搭接錯層位巷道布置接續(xù)工作面開采造成的底板破壞深度為：對公式進行分析發(fā)現(xiàn),錯層位巷道布置形成搭接工作面的兩端的破壞深部較留煤柱開采工作面兩端的破壞深度大,且相鄰工作面搭接處底板巖層存在一破裂區(qū),錯層位相互搭接工作面的兩側(cè)將會產(chǎn)生比留煤柱要大得多的破裂區(qū)深度,對下伏被保護層的卸壓有利,且兩側(cè)應作為長期瓦斯抽放的區(qū)域。進一步結(jié)合錯層位的開采特點,對于采場的橫向裂隙,首采工作面開采期間,覆巖垮落壓實,形成“I”型圈,接續(xù)工作面開采期間,由于無煤柱,覆巖垮落帶與首采工作面形成一個整體,隨著工作面開采范圍的增加而逐漸增大,整個采空區(qū)的形態(tài)表現(xiàn)為“O-L-O”型�？紤]到錯層位內(nèi)錯式巷道布置不同于傳統(tǒng)留煤柱開采,因此對留設不同尺寸護巷煤柱開采保護層對被保護層的卸壓效果進行了研究,得到如下幾個結(jié)論：(1)傳統(tǒng)留煤柱護巷開采保護層,煤柱尺寸直接影響到與保護層對應的被保護層區(qū)域,煤柱中部存在原巖應力區(qū)的前提下,被保護層對應存在：原巖應力區(qū)、應力增高區(qū)、部分卸壓區(qū)及充分卸壓區(qū)。(2)在采用錯層位巷道布置開采保護層,由于相鄰工作面之間實現(xiàn)完全無煤柱搭接,因此多個相鄰工作面體現(xiàn)出單一工作面特點,被保護層中相應位置僅僅存在充分卸壓區(qū),且被保護層經(jīng)歷多次采動影響,卸壓更充分。在此基礎上,結(jié)合留煤柱護巷開采保護層,借鑒突變理論對留煤柱巷煤柱的合理尺寸進行公式推導,認為當留設煤柱的屈服區(qū)超過煤柱的88%就會有發(fā)生突變的可能性,給出為實現(xiàn)被保護層充分卸壓需要煤柱發(fā)生突變,其臨界寬度公式為：a=|25mξ/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]|同時,由于煤柱的流變特性,即使載荷不再增加,其變形也將隨著時間而增加,當屈服區(qū)范圍不斷增大,最終系統(tǒng)將由穩(wěn)定狀態(tài)進入非穩(wěn)定狀態(tài),這里取煤柱的穩(wěn)定時間見如下公式：t=η/ElnE+λ/KdHaL=25mξL/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]η/ElnE+λ/Kdm在此,從實現(xiàn)被保護層充分卸壓的角度出發(fā),確定留設煤柱發(fā)生突變、破壞對于被保護層的連續(xù)、充分卸壓有利,給出煤柱留設的合理尺寸,為了保證生產(chǎn),進一步給出煤柱發(fā)生破壞的時間,同時給出工作面的合理推進速度。由于臨界尺寸煤柱的留設一方面涉及到受采動影響,另一方面關系到被保護層的卸壓效果,因此對留設臨界尺寸開采保護層的回采方案進行優(yōu)化,即采用跳采的開采模式,同時分析卸壓效果要優(yōu)于傳統(tǒng)煤柱的留設方案。在此基礎上進一步對錯層位內(nèi)錯式巷道布置開采保護層的效果進行分析,認為由于取消區(qū)段護巷煤柱,首采工作面的卸壓效果與其他兩種方式相同,但接續(xù)工作面開始相當于增加了保護層回采工作面的長度,在提高回采率的同時,卸壓范圍更大、效果更好,因此應是最有利的模式。為了進一步驗證前述研究結(jié)果,采用FLAC3D對錯層位巷道布置開采上保護層的效果進行了模擬,同時為了深入分析其特點,補充了留設5m和15m護巷煤柱的開采效果進行對比,得到如下研究結(jié)論：(1)開采8#煤層作為上保護層對底板的破壞發(fā)現(xiàn),底板破壞范圍隨著工作面推進逐漸增加,但當開采達到一定范圍后,底板垂直破壞深度趨于一定值(12m),而工作面前方實體煤與切眼一側(cè)底板巖層破壞深度最大(16m)。(2)對8#煤層作為上保護層開采底板應力分布情況來看,錯層位無煤柱搭接開采保護層,對底板的卸壓效果更好,且相鄰工作面之間搭接的部分也實現(xiàn)卸壓,保證了下伏被保護層沿傾向的充分、連續(xù)卸壓；而留煤柱正相反,首先影響了采空區(qū)底板巖層不能充分卸壓,且保留的煤柱下方出現(xiàn)應力集中,影響到接續(xù)工作面底板的卸壓效果,被保護層不能實現(xiàn)充分與連續(xù)卸壓。通過FLAC3D的數(shù)值模擬,認為錯層位內(nèi)錯式巷道布置對于被保護層的充分、連續(xù)卸壓更為有利,9#煤層與8#煤層層間距為9m,底板破壞范圍在12-16m,因此認為8#煤層作為9#煤層的上保護層可行。論文中,進一步對開采8#煤層的瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯富集特點以及煤與瓦斯共采技術幾個方面進行研究,得到如下研究結(jié)論：(1)經(jīng)過計算,得到8#煤層開采過程中,本煤層瓦斯涌出量占67.2%,鄰近層瓦斯涌出量占32.8%。(2)通過對8#煤層開采采空區(qū)瓦斯的富集進行FLUENT模擬發(fā)現(xiàn),8#煤層開采過程中,采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀?需要制定瓦斯抽采措施,而特別是距離回風巷30-40m的瓦斯?jié)舛容^高,應該作為瓦斯抽采的重點區(qū)域；(3)結(jié)合錯層位開采8#保護層采空區(qū)垮落特點以及底板巖層的破壞,提出采用布置地面鉆孔及下伏被保護層底板巖巷穿層鉆孔上向抽采瓦斯綜合解決錯層位巷道布置首采與接續(xù)工作面。論文取得如下創(chuàng)新點：(1)推導了工作面開采底板破壞深度的計算公式：在得到底板破壞深度判定準則的基礎上,對留煤柱護巷、沿空掘巷以及無煤柱搭接三種情況的底板破壞進行分析,得到三種情況下底板的不同破壞情況。(2)同時,進一步對錯層位巷道無煤柱搭接工作面的底板破壞深度進行修正,得到無煤柱搭接錯層位巷道布置接續(xù)工作面開采造成的底板破壞深度為：分析公式發(fā)現(xiàn),錯層位巷道布置形成搭接工作面的兩端的破壞深部較留煤柱開采工作面兩端的破壞深度大,且相鄰工作面搭接處底板巖層存在一破裂區(qū),錯層位相互搭接工作面的兩側(cè)將會產(chǎn)生比留煤柱要大的破裂區(qū)深度,對下伏被保護層的卸壓有利,且兩側(cè)應作為長期瓦斯抽放的區(qū)域。(3)結(jié)合錯層位的開采特點,對于采場的橫向裂隙,首采工作面開采期間,覆巖垮落壓實,形成“O”型圈,接續(xù)工作面開采期間,由于無煤柱,覆巖垮落帶與首采工作面形成一個整體,隨著工作面開采范圍的增加而逐漸增大,整個采空區(qū)的形態(tài)表現(xiàn)為“O-L-O”型。(4)對留設不同尺寸護巷煤柱開采保護層對被保護層的卸壓效果進行了研究,發(fā)現(xiàn)不同留設煤柱尺寸對應被保護層相應的存在分區(qū)情況,在此基礎上,借鑒突變理論對留煤柱巷煤柱的合理尺寸進行公式推導,認為當留設煤柱的屈服區(qū)超過煤柱的88%就會有發(fā)生突變的可能性,在此,從實現(xiàn)被保護層充分卸壓的角度出發(fā),確定留設煤柱發(fā)生突變、破壞對于被保護層的連續(xù)、充分卸壓有利,給出煤柱留設的合理尺寸,為了保證生產(chǎn),進一步給出煤柱發(fā)生破壞的時間,同時給出工作面的合理推進速度,工作面留設煤柱的尺寸如下：a]|25mξ/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgφ]|煤柱保持穩(wěn)定的時間見如下公式：t=η/ElnE+λ/KdHaL=25mξL/22flnfR+kt/kt[1+f(1/ξ-1)ctgξ]η/ElnE+λ/Kdm(5)結(jié)合錯層位開采8#保護層采空區(qū)垮落特點以及底板巖層的破壞,提出采用布置地面鉆孔及下伏被保護層底板巖巷穿層鉆孔上向抽采瓦斯綜合解決錯層位形成無煤柱搭接的多個工作面。本論文對留煤柱以及完全無煤柱開采下伏被保護層的裂隙發(fā)育、卸壓效果及煤與瓦斯共采體系的建立展開研究,論文通過理論分析、FLAC3D數(shù)值模擬及FLUENT三種方法得到了錯層位開采底板的裂隙發(fā)育特點及卸壓效果,但FLUENT模擬中僅僅給出采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r,尚未結(jié)合瓦斯抽采系統(tǒng)及接續(xù)工作面瓦斯?jié)舛确植颊归_,這將作為下一步的重點工作展開研究。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD712.6

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張勇;張保;張春雷;趙健健;劉金凱;張世青;;厚煤層采動裂隙發(fā)育演化規(guī)律及分布形態(tài)研究[J];中國礦業(yè)大學學報;2013年06期

2 袁亮;郭華;李平;梁運培;廖斌琛;;大直徑地面鉆井采空區(qū)采動區(qū)瓦斯抽采理論與技術[J];煤炭學報;2013年01期

3 薛東杰;周宏偉;孔琳;趙天;易海洋;唐咸力;;采動條件下被保護層瓦斯卸壓增透機理研究[J];巖土工程學報;2012年10期

4 王旭鋒;張東升;李國君;任廷祥;王曉東;;鐵法礦區(qū)高瓦斯低透氣性煤層群卸壓煤層氣抽采鉆孔布置[J];煤炭學報;2011年08期

5 林海飛;李樹剛;成連華;王紅勝;;覆巖采動裂隙帶動態(tài)演化模型的實驗分析[J];采礦與安全工程學報;2011年02期

6 高召寧;孟祥瑞;王向前;;大采高綜放開采煤巖損傷統(tǒng)計力學模型[J];長江科學院院報;2011年05期

7 王亮;程遠平;蔣靜宇;郭品坤;王立國;楊云;;巨厚火成巖下采動裂隙場與瓦斯流動場耦合規(guī)律研究[J];煤炭學報;2010年08期

8 袁亮;;瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術[J];中國煤炭;2010年06期

9 王海鋒;程遠平;侯少杰;徐瑞;劉海波;;傾斜煤層遠距離上被保護層連續(xù)卸壓保護技術研究及應用[J];采礦與安全工程學報;2010年02期

10 王海鋒;程遠平;吳冬梅;劉洪永;;近距離上保護層開采工作面瓦斯涌出及瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化[J];煤炭學報;2010年04期

，

本文編號：1635896