本文關鍵詞：淺埋煤層短壁開采關鍵層破斷及控制研究

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【摘要】：如何通過合理方案設計實現(xiàn)短壁回采過程中留設的支巷間煤柱實現(xiàn)自身的穩(wěn)定屈服,從而緩解或消除淺埋煤層堅硬頂板破斷大面積來壓所產生的動力災害問題,同時最大程度提高煤炭回收率,對神東地區(qū)短壁回采工藝的應用以及實現(xiàn)邊角煤的最大程度回收尤為重要。本文從決定淺埋煤層頂板穩(wěn)定的關鍵層著手,綜合利用理論分析、物理模擬和數(shù)值模擬等研究方法,分析關鍵層開裂前的變形和能量分布以及開裂后形成砌體梁結構的穩(wěn)定機理;系統(tǒng)分析相鄰區(qū)段開采過程中關鍵層及其上覆巖層的變形和破斷規(guī)律;結合局部剛度理論和屈服煤柱理論對“關鍵層-屈服煤柱”系統(tǒng)安全破壞進行了工程方案設計和優(yōu)化。取得以下創(chuàng)新性成果:(1)建立了包含煤壁屈服區(qū)在內的復合地基梁力學模型,研究了煤壁屈服區(qū)寬度與超前支承壓力分布、關鍵層的初次開裂和周期開裂之間的關系,系統(tǒng)分析關鍵層的開裂位置、能量分布和變形等情況;建立了包含原巖水平應力作用的砌體梁穩(wěn)定計算方法和判據;結合神東淺埋煤層覆巖特點分析了關鍵層及其上覆巖層的開裂過程、變形、應力分布和整體垮落機理。(2)根據短壁連采工作面布置特點和尺寸,利用物理相似模擬和數(shù)值模擬,研究了相鄰區(qū)段開采對上覆關鍵層穩(wěn)定的影響。結果表明,本區(qū)段支巷回收過程加劇了相鄰已采區(qū)段關鍵層的變形,影響程度隨已采區(qū)段關鍵層跨度增加而越加明顯;而已采區(qū)段關鍵層是否穩(wěn)定直接決定了相鄰在采區(qū)段關鍵層的變形、極限跨距和垮落模式;通過位于相鄰兩側區(qū)段上方所形成的雙壓力拱結構相互作用機理分析了產生上述影響的原因。(3)在進一步完善圍巖局部剛度計算方法的基礎上,并結合屈服煤柱理論提出了“關鍵層-屈服煤柱”系統(tǒng)安全破壞理論,在系統(tǒng)分析區(qū)段支巷寬度、支巷回收順序、末采支巷(區(qū)段內最后回收的支巷)位置、屈服煤柱(支巷間煤柱)位置和數(shù)量等參數(shù)對圍巖局部剛度影響的基礎上,將屈服煤柱設計方案簡化為6個最基本的剛度單元,通過數(shù)值模擬和理論計算確定了適合每個局部剛度單元的合理屈服煤柱寬度;在綜合考慮區(qū)段內支巷安全回收和關鍵層安全破壞以及增加區(qū)段可采面積和區(qū)段煤炭回收率的基礎上對屈服煤柱設計方案進行了篩選和優(yōu)化,并進一步給出了“關鍵層-屈服煤柱”系統(tǒng)安全破壞工程方案優(yōu)化設計流程。
【關鍵詞】：淺埋煤層 短壁開采 動力災害 關鍵層 屈服煤柱
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD823.4
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• Extended Abstract8-28
• 變量注釋表28-29
• 1 緒論29-44
• 1.1 研究背景和研究意義29-32
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀32-41
• 1.3 研究內容與技術路線41-42
• 1.4 主要創(chuàng)新點42-44
• 2 連續(xù)采煤機短壁回采工藝研究44-54
• 2.1 工程概況44-45
• 2.2 短壁回采巷道布置及工藝45-48
• 2.3 短壁回采工作面參數(shù)分析48-51
• 2.4 設備配套方式51-52
• 2.5 本章小結52-54
• 3 考慮超前支承壓力影響關鍵層開裂前的變形和能量分布研究54-78
• 3.1 關鍵層失穩(wěn)致災原因54-58
• 3.2 關鍵層受超前支承壓力影響的彎矩、撓度和能量分布分析58-68
• 3.3 工程算例68-77
• 3.4 本章小結77-78
• 4 淺埋煤層關鍵層開裂及垮落機理研究78-115
• 4.1 關鍵層及覆巖垮落機理的理論分析78-99
• 4.2 關鍵層及其上覆巖層開裂機理數(shù)值模擬分析99-107
• 4.3 關鍵層及上覆巖層開裂過程的微震特性研究107-113
• 4.4 本章小結113-115
• 5 相鄰區(qū)段回采關鍵層破壞機理研究115-157
• 5.1 淺埋煤層短壁回采關鍵層變形及破斷物理模擬研究115-124
• 5.2 相鄰區(qū)段開采關鍵層變形及破斷的數(shù)值模型建立124-126
• 5.3 單一區(qū)段支巷連續(xù)回收126-131
• 5.4 相鄰區(qū)段關鍵層處于穩(wěn)定狀態(tài)131-149
• 5.5 相鄰區(qū)段關鍵層處于垮落狀態(tài)149-155
• 5.6 本章小結155-157
• 6 “關鍵層-屈服煤柱”系統(tǒng)安全破壞機理及工程方案設計157-202
• 6.1 局部剛度理論157-160
• 6.2 屈服煤柱力學特性160-166
• 6.3 “關鍵層-屈服煤柱”安全破壞方案設計166-200
• 6.4 本章小結200-202
• 7 結論與展望202-207
• 7.1 主要研究結論202-205
• 7.2 進一步研究展望205-207
• 參考文獻207-221
• 作者簡介221-224
• 學位論文數(shù)據集224

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本文編號：1001275