本文關(guān)鍵詞：大采高超大采場覆巖破壞運(yùn)動特征及控制研究　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,大采高一次采全高開采技術(shù)因其高產(chǎn)、高效、低成本等優(yōu)勢在我國各大礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用,在極大提高工作面生產(chǎn)潛能的同時(shí),因?qū)τ谠摬擅杭夹g(shù)理論研究滯后于工程實(shí)踐,在大采高工作面表現(xiàn)出同普通綜采工作面差異較大的礦壓顯現(xiàn)甚至災(zāi)害現(xiàn)象。本論文針對王莊煤礦厚煤層(7.2m)特定賦存條件,進(jìn)行了大采高超大采場圍巖控制技術(shù)的研究,論文綜合運(yùn)用現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)設(shè)備開發(fā)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算和理論分析等綜合研究手段,系統(tǒng)地分析了煤壁片幫機(jī)理、注漿防片幫技術(shù)措施、支架與圍巖關(guān)系、頂板載荷計(jì)算方法、采煤工藝優(yōu)化等問題,得到以下主要研究成果:(1)對主采煤層取樣,進(jìn)行煤巖力學(xué)參數(shù)測試。為得到該礦煤巖力學(xué)參數(shù),為之后圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析工作奠定基礎(chǔ),在王莊煤礦8101工作采集煤樣并加工成50*100mm的標(biāo)準(zhǔn)煤研試件,并對其進(jìn)行單軸壓縮和抗剪驗(yàn)。面軸壓縮試驗(yàn)中試件破壞時(shí)的變形量都小于試件尺寸的百分之五,均表現(xiàn)為明顯的脆性破壞形式。斷層構(gòu)造處3#煤的抗壓強(qiáng)度僅為4.2MPa,強(qiáng)度較小,而正常賦存條件下該礦煤層抗壓強(qiáng)度約為12MPa,因此,在高強(qiáng)度開采條件下工作面遭遇斷層處揭露的煤壁容易發(fā)生片幫現(xiàn)象。(2)工作面長度及煤柱尺寸優(yōu)化。為提高資源回收率,利用極限分析定理得到一定覆巖載荷作用下老頂保持穩(wěn)定的條件,進(jìn)而得到該賦存條件下可選工作面的最大長度;利用數(shù)值分析和理論分析得到區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的條件,若煤柱中存在一定范圍(2-3m)的彈性核,則其自身可保持穩(wěn)定,回采巷道不需特殊支護(hù),根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果得到煤柱上方不同分布形態(tài)的覆巖載荷,進(jìn)而反演處煤柱所處的狀態(tài),得到該賦存和工作面布置條件下可選最小煤柱尺寸,最終從最大程度上提高了后備區(qū)煤炭資源的回收率。(3)通過室內(nèi)相似模擬得到大采高工作面覆巖破斷后運(yùn)動形式。針對王莊煤礦3#煤特定賦存條件,鋪設(shè)二位平面應(yīng)力相似模擬模型,通過高清攝像機(jī)拍照得到開挖過程中覆巖運(yùn)動形態(tài)和老頂所形成的結(jié)構(gòu)。由于一次采出空間增大,覆巖破斷后垮落帶、裂隙帶同時(shí)增大,分別達(dá)到20m、70m。根據(jù)老頂運(yùn)動形態(tài),分別建立了工作面初次來壓、周期來壓破斷頂板穩(wěn)定性分析力學(xué)模型,利用最小勢能原理得到結(jié)構(gòu)的極限平衡位置及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)形式,最終得到大采高工作面因一次開采高度的成倍增加,老頂破斷巖塊失穩(wěn)形式以滑落失穩(wěn)形式為主,提高了工作面來壓時(shí)的顯現(xiàn)強(qiáng)度。(4)根據(jù)大采高工作面老頂結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)特征,提出利用能量守恒原理為基礎(chǔ)的支架工作阻力確定方法,老頂破斷巖塊失穩(wěn)下落運(yùn)動過程中,重力勢能的減少量全部轉(zhuǎn)化為直接頂及工作面支架吸收的能量,利用支架所需吸收的能量即可得到支架所需的額定工作阻力。根據(jù)直接頂性質(zhì)的不同得到不同的支架工作阻力計(jì)算公式,并對不同情況下支架阻力的影響因素進(jìn)行了分析。由于大采高一次采出厚度成倍增加,直接頂范圍增大,直接頂重力在頂板載荷中所占的比例同樣增加,根據(jù)老頂破斷巖塊形成穩(wěn)定平衡結(jié)構(gòu)的力學(xué)及幾何條件,分析得到直接頂厚度確定公式,進(jìn)而得到直接頂松脫體重力,直接頂重力同老頂壓力之和即為支架工作阻力,利用該方法指導(dǎo)8101工作面支架選型取得成功。(5)工作面過斷層防片幫技術(shù)。斷層構(gòu)造對煤巖力學(xué)參數(shù)具有弱化作用且大范圍宏觀節(jié)理面的存在大大提高了斷層附近煤壁片幫事故的發(fā)生概率。利用極限分析定理分析了斷層構(gòu)造處煤壁片幫事故的發(fā)生機(jī)理,并結(jié)合數(shù)值分析和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到不同煤壁片幫形勢下的主要影響因素,即煤巖力學(xué)性能降低、頂板壓力增大及互幫板提供的水平支護(hù)力不足是造成8101工作面斷層構(gòu)造影響處煤壁發(fā)生片幫現(xiàn)象的主要原因,針對以上結(jié)論提出了重型裝備高阻力、低推進(jìn)速度過斷層技術(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)注漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果,8101工作面過斷層時(shí)采用了注漿壓力+側(cè)護(hù)網(wǎng)綜合防片幫技術(shù),實(shí)現(xiàn)了斷層區(qū)域安全高效生產(chǎn)。(6)根據(jù)工作面末采階段,老頂破斷運(yùn)動特征,分析得到工作面回撤階段壓架事故發(fā)生機(jī)理,并根據(jù)回撤階段工作面、回撤巷道及頂板斷裂線的相對空間位置關(guān)系提出了改變采高、改變工作面推進(jìn)速度及讓壓開采等回撤階段的頂板控制措施,并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了大采高采場重型設(shè)備的快速搬家技術(shù),提高了配套設(shè)備的回撤、搬家效率。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD325

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本文編號：1354948