發(fā)布時間：2017-11-29 10:27

  本文關鍵詞：雙側(cè)采空孤島煤體沖擊地壓發(fā)生機理與防治技術研究

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【摘要】：本文針對開灤集團普遍存在的孤島煤體的安全、高效回收展開研究,以唐山礦T1391孤島煤體作為研究背景,對雙側(cè)采空孤島煤體沖擊地壓發(fā)生的力學機理、回采技術與防治措施展開研究。整個研究中,采用了包括理論分析、計算機數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測三種方法。論文中,首先結(jié)合我國煤炭工業(yè)面臨的形式,對孤島煤體的回收意義展開論述,認為孤島煤體回收對于我國特別是東部地區(qū)資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。由于孤島煤體受到多側(cè)采空區(qū)的影響,應力集中與能量積聚在煤體上方,在孤島煤體的回采中易引發(fā)沖擊地壓,因此,論文通過搜集大量文獻對沖擊地壓發(fā)生理論、防治技術、孤島工作面沖擊地壓發(fā)生的理論、評價及控制進行了綜述。在此基礎上,確定了研究內(nèi)容、方法與技術路線。為了保障孤島煤體的安全、高效回收,需要對殘留孤島煤體覆巖力學機理展開研究,所研究的T1391工作面屬于雙側(cè)采空孤島煤體,因此建立了雙側(cè)采空孤島煤體覆巖力學模型,并對其彎矩分布的解析解進行計算分析;結(jié)合T1391孤島煤體包括一大、一小兩塊,結(jié)合煤柱尺寸對支承應力分布、彎矩分布以及集中應力P進行建模研究;隨后,在前述研究基礎上,采用包括沖擊可能性系數(shù)與發(fā)生的能量理論作為雙側(cè)采空孤島煤體沖擊地壓發(fā)生的判定機理,本部分得到的具體研究成果包括:(1)通過采用彈性薄板力學理論與功的互等定理,建立了雙側(cè)采空孤島工作面頂板巖層的力學模型,即頂板發(fā)生初次斷裂前屬于對邊固支、對邊簡支;頂板發(fā)生斷裂后,屬于對邊簡支、一邊固支、一邊自由的力學模型,并得到了彎矩分布的解析解,分別為-0.640221m與-0.162962P。(2)在研究結(jié)論(1)的基礎上,首先推導并確定了不同煤柱尺寸的支承應力分布、分區(qū)的計算公式與方法,并得到不同尺寸煤柱對應的彎矩分布情況,滿足公式:同時發(fā)現(xiàn)當煤柱中部存在原巖應力的狀態(tài),則在孤島煤柱兩側(cè)存在彎矩峰值,孤島煤柱中部仍保持原始狀態(tài);當煤柱中部存在彈性應力升高區(qū),仍然在孤島煤柱兩側(cè)存在彎矩峰值,但中部彎矩值普遍分布較大;當孤島煤柱處于整體極限狀態(tài)時,則整個孤島煤柱內(nèi)部彎矩分布趨于最大值�？紤]沖擊地壓的防治,大尺寸孤島煤柱防范區(qū)域小、小尺寸的孤島煤柱需要進行全面防治,因此,確定對T1391范圍內(nèi)的孤島煤體實行一次開采。(3)推導了覆巖發(fā)生斷裂后的承載表達式,滿足:(4)在前述研究結(jié)論的基礎上,進一步得到孤島煤體的能量計算表達式,即頂板發(fā)生初次斷裂前滿足:頂板發(fā)生初次斷裂后,滿足:同時,結(jié)合能量積聚的表達式發(fā)現(xiàn),在雙側(cè)采空孤島煤體的能量積聚中,受覆巖頂板斷裂步距的影響沒有明顯體現(xiàn),也即雙側(cè)采空影響下,頂板斷裂帶來的能量變化可忽略。同時,在相同裂縫帶發(fā)育高度的前提下,一次采出煤層厚度變化帶來的能量積聚影響也不明顯。在前述研究的基礎上,對唐山礦雙側(cè)采空孤島煤體的回采與沖擊地壓防治技術展開進一步計算研究,研究內(nèi)容包括唐山礦孤島煤體的分區(qū)情況、煤柱尺寸留設的計算分析、危險區(qū)域的劃分及超前卸壓鉆孔方案與參數(shù)的確定,得到的具體研究結(jié)論如下:(1)通過計算得到煤柱破碎區(qū)范圍2.9m,極限平衡區(qū)范圍為4.53m,因此從沿空掘巷的角度考慮,可保留3-4m的護巷煤柱。進一步,從煤柱發(fā)生突變、失穩(wěn)造成沖擊地壓發(fā)生的角度,提出煤柱尺寸要大于10.3m。(2)結(jié)合前述孤島煤柱能量分布的計算方法,得到留設超過10m寬的煤柱時,煤柱中部必然受到雙向支承壓力的疊加影響,計算得到UW=3.06×105J,而留設3m煤柱,UW=1.173×105J,留設3m小煤柱僅為10.3m以上寬度煤柱能量的38.3%,因此,僅僅采用煤柱留設的區(qū)域措施即可顯著改善孤島煤柱回收時沖擊地壓發(fā)生的幾率。(3)從孤島煤柱開始回采制定局部防范措施的角度考慮,在雙側(cè)采空孤島煤柱兩側(cè)附加彎矩的位置左右各0.05L范圍分別達到最大正負彎矩,因此無論從能量上還是從梯度上,此區(qū)域均是沖擊地壓防范的重點。(4)頂板發(fā)生初次斷裂后,受到側(cè)向支承應力的影響,對其能量積聚超過105J進行了計算分析,分別分析了極限平衡區(qū)內(nèi)與彈性區(qū),得到距離采空區(qū)4.22m-31.83m是發(fā)生沖擊地壓的危險區(qū)域。再一次得到雙側(cè)采空孤島煤體開采條件下,采用沿空掘巷可避開沖擊地壓發(fā)生的危險區(qū)域。(5)對工作面回采中采用鉆孔卸壓防治措施進行了計算分析,認為采用鉆孔卸壓方案時,可采用100mm或200mm鉆孔直徑、1m或2m的鉆孔間距以及10m、15m、20m、25m以及30m的鉆孔深度,為進一步確定卸壓鉆孔參數(shù)的實驗研究提出基礎參數(shù)。為了驗證前述理論研究成果并確定最終的卸壓技術與參數(shù),采用計算機數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行模擬研究,研究內(nèi)容包括煤柱穩(wěn)定性、危險區(qū)域劃分、超前卸壓鉆孔參數(shù)的確定與采煤方法選擇幾個方面,得到如下研究結(jié)論:(1)對不同煤柱尺寸支承應力分布的數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)寬度為5m的煤柱在回采時已經(jīng)破壞、卸壓;留10m護巷煤柱的情況下,煤柱彈性核在工作面回采過程中由于后方不斷采空,支承應力逐漸增高,且應力峰值隨著工作面的推進而逐漸向前移動;當煤柱寬度達到15m時,由于彈性核破壞的減小,煤柱的支承應力逐漸增大,煤柱中的應力集中程度增大,發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險性也較高。對不同煤柱尺寸的塑性區(qū)分布模擬發(fā)現(xiàn),當煤柱寬度為5m和10m時,在工作面前方60m的范圍內(nèi)隨著回采工作的開采,煤柱既已發(fā)生不同程度的塑性破壞。留設15m護巷煤柱情況有所改善,但是維持時間較短。留設20m和25m寬的護巷煤柱時,中部的彈性核在回采過程中支承應力集中程度高,煤柱發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險性顯著增高。對不同煤柱能量場分布的模擬中發(fā)現(xiàn),留設5m護巷煤柱在頂板支承應力的作用下,回采初期既已發(fā)生破壞、卸壓,煤柱內(nèi)積聚的彈性能過早的釋放;隨著煤柱寬度的增加,煤柱逐漸起到了支承作用,煤柱內(nèi)部積聚的彈性能逐漸增高。當煤柱寬度10m時,隨著工作面的回采,工作面附近煤柱積聚的能量較多,說明此區(qū)域煤柱應力較為集中,發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險性逐漸增大。同理,煤柱寬度從15m到30m變化時,煤柱內(nèi)部靠近順槽巷道的區(qū)域出現(xiàn)了條帶狀的能量積聚區(qū)域,此區(qū)域隨著工作面的回采向工作面前方移動,條帶狀區(qū)域逐漸擴大,由此可知,煤柱在靠近順槽巷道的區(qū)域彈性能積聚較多,隨著工作面的推進,容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。因此,從對煤柱不同尺寸的各類型模擬中發(fā)現(xiàn),留設小煤柱甚至無煤柱是改善孤島工作面煤柱發(fā)生沖擊地壓的有效措施,結(jié)合前述理論研究,建議T1391孤島煤柱的回收采用沿空掘巷。(2)在對不同煤柱尺寸的研究前提下,對孤島工作面開采期間的危險區(qū)域進行了研究,發(fā)現(xiàn)頂板初次斷裂垮落前,應力峰值與危險區(qū)域分布在回采巷道兩側(cè)的區(qū)域,這與前述建立對邊簡支、對邊固支的力學模型相符,即在頂板發(fā)生初次斷裂前需要防止巷道兩側(cè)的實體煤與煤柱發(fā)生沖擊地壓。當工作面覆巖發(fā)生斷裂后,其能量主要積聚在工作面中部超前位置,因此需要制定相應的技術措施防止工作面發(fā)生沖擊地壓,可采用如提高液壓支架工作阻力等技術措施。(3)結(jié)合超前打卸壓鉆孔改善煤體應力分布與能量積聚對卸壓孔的技術參數(shù)進行模擬研究,認為該礦實際情況下,應采用鉆孔孔徑200mm,鉆孔間距1m與鉆孔深度15m的卸壓方案。(4)結(jié)合特厚煤層的采煤方法,對留設3m煤柱的沿空掘巷分層開采與放頂煤開采進行模擬,模擬中采用最優(yōu)的鉆孔卸壓技術方案與參數(shù),研究中發(fā)現(xiàn),采用放頂煤開采兩巷應力分布情況相似,且較分層開采頂分層小,分布范圍較為集中,分析其原因認為分層開采的頂分層直接受頂板的影響,認為采用放頂煤開采要優(yōu)于分層開采頂分層的情況。最后,基于理論研究與數(shù)值模擬實驗兩部分研究內(nèi)容與成果,對唐山礦雙側(cè)采空孤島煤體回采工作面T1391工作面進行現(xiàn)場礦壓觀測與沖擊危險性的評估,得到如下成果:(1)唐山礦T1391工作面所采8-9煤層具有中等以上沖擊危險性,且工作面埋深超過沖擊地壓發(fā)生的530m以及屬于雙側(cè)采空的孤島工作面,因此,工作面回采過程中存在發(fā)生動力失穩(wěn)的危險性。(2)通過巷道變形對超前支承應力進行分析,認為工作面超前支承應力峰值位置應為20m,從與采空區(qū)側(cè)向支承應力疊加的角度考慮,此區(qū)域應是防范的重點。(3)通過對工作面頂板離層的研究從而確定頂板活動的劇烈程度的研究中發(fā)現(xiàn),距離工作面16-28m屬于頂板活動劇烈范圍。(4)在對工作面液壓支架工作阻力的觀測中發(fā)現(xiàn),工作面下端區(qū)域工作面上端區(qū)域工作面中部,這與常規(guī)工作面中部應力較兩端大不同,從而驗證了前述孤島工作面防范的重點應在工作面兩端的結(jié)論。(5)依據(jù)鉆屑量進行實測發(fā)現(xiàn)工作面發(fā)生初次來壓之前,鉆屑量基本接近中等危險的下限且伴隨有聲響與卡鉆現(xiàn)象,與其他工作面進行工程類比發(fā)現(xiàn),雖然仍屬于中等危險,但鉆屑量顯著降低,因此可認為沿空掘巷或打卸壓鉆孔起到一定作用;當頂板發(fā)生初次斷裂后,工作面超前20m范圍內(nèi)鉆屑量較多,但幾乎沒有超過無危險的上限,且?guī)缀鯖]有動力現(xiàn)象發(fā)生,屬于無動力危險性。驗證了前述研究中關于頂板初次來壓前需要全面防治,而頂板來壓后,雖然工作面煤壁存在片幫等現(xiàn)象,但無動力失穩(wěn)危險,而仍然在工作面兩巷超前20m屬于超前應力與采空區(qū)側(cè)向應力疊加區(qū)域,需要重點防范。論文取得了如下創(chuàng)新點:(1)對雙側(cè)采空孤島煤體建立了彈性薄板力學模型,即頂板發(fā)生斷裂前屬于對邊固支、對邊簡支力學模型;發(fā)生斷裂后屬于一邊固支、一邊自由、對邊簡支的力學模型,并得到解析解,發(fā)現(xiàn)頂板斷裂前彎矩峰值位于工作面兩端0.05倍的位置,發(fā)生斷裂后彎矩峰值集中在工作面中部,此區(qū)域是防治沖擊地壓發(fā)生的重點。(2)通過對不同尺寸煤柱內(nèi)支承應力分布與分區(qū)的研究,建立了不同尺寸孤島煤體能量積聚的計算公式,同時發(fā)現(xiàn)受雙側(cè)采動影響,孤島煤體開采中頂板斷裂步距對能量積聚的影響可忽略不計。(3)結(jié)合孤島煤體頂板發(fā)生斷裂后的彎矩分布特點,推導了三側(cè)采空頂板承載的表達式。(4)結(jié)合孤島煤體實際參數(shù),對其進行了計算,首先提出兩種護巷煤柱的留設,即留設3-4m小煤柱的沿空掘巷方案,或避免煤柱發(fā)生突變造成沖擊地壓發(fā)生而留設10.3m以上護巷煤柱的方案,通過能量計算發(fā)現(xiàn),沿空掘巷煤柱內(nèi)積聚的能量僅為留10.3m以上寬度煤柱尺寸的38.3%,認為沿空掘巷是避免發(fā)生沖擊地壓最有效的區(qū)域性防治措施。
【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】：2016
【分類號】：TD324.2

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本文編號：1237145