本文選題：綜放開采　切入點：放出規(guī)律　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2017年博士論文

【摘要】：散體頂煤放出規(guī)律作為綜放開采基礎(chǔ)研究中的重要問題之一,其本質(zhì)是非理想松散介質(zhì)的流動問題,在理論上給出嚴格的數(shù)學(xué)表達或者力學(xué)求解難度很大,故本文主要采用相似模擬試驗與數(shù)值模擬計算的手段,對綜放開采散體頂煤的放出規(guī)律進行深入研究。首先,通過三維相似模擬試驗和三維離散元數(shù)值計算,對綜放開采中支架的存在對頂煤放出體形態(tài)的影響進行了深入分析;其次,研究了復(fù)雜條件下,工作面傾角和仰/俯采角對頂煤放出規(guī)律的影響;最后基于BBR體系進行了提高頂煤采出率的工藝研究。研究結(jié)果具體如下:(1)將綜放開采頂煤放出的煤巖分界面(Boundary)、頂煤放出體(Body)、頂煤采出率與含矸率(Ratio)統(tǒng)一進行研究,建立頂煤放出規(guī)律的BBR研究體系,詳細研究了相互之間的影響與制約關(guān)系,有助于更深層次地探索綜放開采散體頂煤三維放出規(guī)律�；贐BR體系研究了放煤過程中煤巖分界面形態(tài)以及支架和移架對其影響,提出了煤巖分界面演化的簡化拋物線模型。放出體可以分為發(fā)育不完整、基本成熟和成熟三個發(fā)育階段;支架掩護梁影響會使放出體前部發(fā)育較快,始終超出橢球體范圍,放出體是一被支架掩護梁所切割的非橢球體,稱其為切割變異橢球體。切割變異橢球體主要有“斜切成面”、“差異流動”、“超前發(fā)育”三個特征,這三個特征分別是由于支架自身幾何屬性、松散介質(zhì)流動局部化、散煤內(nèi)外摩擦角差異引起的。(2)放煤起始煤巖分界面是放煤的邊界條件,放出體在煤巖分界內(nèi)發(fā)育,會放出純頂煤,一旦與煤巖分界面相交,就會有巖石混入,混入的巖石首先出現(xiàn)在放出體靠近采空區(qū)一側(cè)的中部,然后向上下方向發(fā)展,其中以向上方向發(fā)展為主。為了提高頂煤采出率,應(yīng)盡可能地擴大放出體與煤巖分界面的相切范圍,由于放出體形態(tài)不易控制,提出了通過放煤工藝與參數(shù)調(diào)整,進而控制煤巖分界面形態(tài)來提高頂煤采出率的思路。放煤過程中待放頂煤區(qū)域始終處于采空區(qū)巖石與支架頂梁形成的拱形擠壓強力鏈下部,處于相對卸壓區(qū),且在放煤口附近頂煤易成拱,所以放煤過程中,要控制好支架位態(tài),同時支架尾梁要適當(dāng)擺動以提高放煤速度。(3)綜放開采中,支架存在會導(dǎo)致頂煤放出量減少,對金屬礦橢球體理論中關(guān)于放礦量的計算公式進行修正,提出了綜放開采頂煤放煤量的計算公式。首次在室內(nèi)三維相似模擬試驗中,觀察到綜放開采頂煤放出體在發(fā)育過程中存在向支架前方“超前發(fā)育”特征,驗證了BBR體系中關(guān)于切割變異橢球體主要特征的描述。通過對比試驗的方法,證明放出體“超前發(fā)育”現(xiàn)象是由支架存在而引起的。從偏心率和偏轉(zhuǎn)角出發(fā),對頂煤放出體的“超前發(fā)育”特征進行了深入分析;揭示了偏轉(zhuǎn)角與放出體高度之間的關(guān)系。首次提出了基于參數(shù)?的支架影響程度等級劃分方法。采用PFC3D數(shù)值模擬軟件對頂煤放出體的“超前發(fā)育”特征和以及綜放開采頂煤放出體體積計算公式的正確性進行了驗證,計算結(jié)果與物理模擬試驗相吻合。(4)初始頂煤放出體的體積隨著工作面傾角的增大而增大,且當(dāng)工作面傾角大于松散煤體的自然安息角后,放出體體積的增大速率明顯加快;頂煤放出體在沿工作面方向上的斷面可近似為一長軸豎直的橢圓形,在相同的起始煤巖分界面下,該橢圓的長短軸隨工作面傾角增大而增大、偏心率隨傾角增大而在0.76~0.81區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)波動。隨著工作面傾角的增大,上端頭側(cè)的煤巖分界面逐漸靠近重力線,且其形態(tài)也逐漸變得平緩而綿長。頂煤采出率隨工作面傾角的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征,在傾斜、急傾斜條件下,采用普通放煤方式的頂煤采出率低于水平、近水平條件,在現(xiàn)場生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)對傾斜、急傾斜綜放開采放煤方式進行針對性的優(yōu)化。(5)近水平煤層綜放開采頂煤放出過程中,工作面傾角的存在使得放煤量從工作面上端頭到下端頭逐漸增加,含矸率相應(yīng)降低;下端頭放煤效率;發(fā)現(xiàn)近水平煤層頂煤采出率沿煤層走向不同區(qū)域呈動態(tài)演化過程,且沿煤層傾向具有周期性分布的特點,揭示了頂煤采出率的三維分布特征;煤矸放出體體積隨放煤高度增大呈冪函數(shù)關(guān)系增大;頂煤采出率和含矸率隨放煤時間呈階段性變化特征;不同放煤方式的模擬結(jié)果表明,間隔放煤有利于提高放煤量和頂煤采出率,在近水平煤層綜放開采中建議采用間隔放煤。(6)急傾斜厚煤層走向長壁綜放開采頂煤采出率沿煤層傾向呈“幾”字形分布規(guī)律,頂煤放出體向工作面上端頭發(fā)育趨勢明顯,放出體“棗核狀”形態(tài)和煤巖分界面非對稱性的相互作用導(dǎo)致的上下端頭煤損差異,是急傾斜厚煤層綜放開采頂煤采出率呈“幾”字形分布的根本原因。數(shù)值計算和現(xiàn)場實測結(jié)果亦服從頂煤采出率的“幾”字形分布規(guī)律。依據(jù)頂煤采出率的“幾”字形分布規(guī)律,提出了適當(dāng)減少下端頭不放煤支架數(shù)目、增加工作面長度等針對性的措施建議,以提高急傾斜煤層綜放工作面的頂煤采出率。(7)在仰/俯斜頂煤放出體形態(tài)的各影響因素中,重力是主導(dǎo)因素,支架存在是輔助因素,而仰/俯采角則對放出體形態(tài)影響甚微。在相同的起始煤巖分界面下,頂煤放出量隨仰采角的增大而增大,隨著俯采角的增大而減小,但放出體形態(tài)均為切割變異橢球體。隨著仰采角的增大,終止煤巖分界面由緩變陡,頂煤重力沿煤層走向分力的增大導(dǎo)致頂煤流向采空區(qū)成為殘煤的概率變大;同時原本無法放出的部分超前頂煤也會因仰采角存在而被大量放出,兩者的相互作用使得頂煤采出率隨仰采角的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征。隨著俯采角的增大,終止煤巖分界面中部向采空區(qū)側(cè)凸出的特征越來越明顯,使得采空區(qū)的矸石逐步出現(xiàn)超前混入現(xiàn)象,故頂煤采出率隨俯采角的增大基本呈現(xiàn)出逐步減小的變化趨勢。(8)仰斜綜放開采頂煤放出過程中,放煤量與含矸率呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系;和水平綜放相比,仰斜綜放頂煤采出率沿煤層走向的分布呈現(xiàn)出充分放出區(qū)向前偏移的特征;仰采角的存在對頂煤采出率沿煤層傾向的分布影響不大;沿煤層垂直方向采出率隨距底板高度的增大而減小。運用自主研制的頂煤運移跟蹤儀,對瑞隆礦1201仰斜綜放工作面頂煤采出率進行現(xiàn)場實測,結(jié)果表明仰斜綜放不同層位頂煤放出順序大致為高位→低位→中位,且由于高位頂煤向采空區(qū)后方運移成為殘煤的概率較大,其采出率低于中、低位頂煤。(9)采用多口同時放煤的方式可提高頂煤采出率,多回收的部分主要來自于工作面中部的中高位頂煤;隨著放煤口長度的增大,放出體體積呈線性增大且初始矸石混入點向放煤口上方移動,終止煤巖分界面形態(tài)逐步呈現(xiàn)出向已放煤側(cè)凸出的特征;采用分段逆序放煤方式可使下端頭頂煤采出率提高13.98%,且可在正、逆序段銜接處可形成有利于放出體發(fā)育的煤巖分界面形態(tài),減少了采空區(qū)殘煤;逆序段放煤量增長率隨逆序段長度增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢;采用分段逆序雙口同時放煤方式,可達到同時提高工作面中部和下端頭頂煤采出率的目的。
[Abstract]:On the basis of the BBR system , the influence of the coal - rock interface on the top coal evolution is studied . ( 2 ) The boundary condition of coal caving is the boundary condition of coal caving . When the coal rock is separated from the coal rock , it will release pure top coal . In order to improve the coal production rate , it is necessary to expand the tangent range of the coal - rock sub - interface . In order to improve the coal mining rate , it is suggested that the coal caving process and parameters adjustment should be made , and the coal - rock sub - interface form can be controlled to improve the coal caving speed . ( 4 ) The volume of the initial coal caving is increased with the increase of the inclination of the working face , and when the inclination angle of the working face is greater than the natural repose angle of the loose coal body , the increase rate of the volume of the top coal is increased obviously . ( 7 ) In the influence factors of the shape of lean coal , gravity is the dominant factor , and there is little influence on the shape of the coal seam . The coal mining rate of the top coal decreases with the increase of the pitch angle . The coal mining rate of the top coal is decreased with the increase of the pitch angle .

【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】：2017
【分類號】：TD823.49

【參考文獻】

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1 王家臣;趙兵文;趙鵬飛;楊勝利;安建華;江志義;;急傾斜極軟厚煤層走向長壁綜放開采技術(shù)研究[J];煤炭學(xué)報;2017年02期

2 王金安;韓現(xiàn)剛;龐偉東;梁超;王美美;;綜放開采頂煤與覆巖力鏈結(jié)構(gòu)及演化光彈試驗研究[J];工程科學(xué)學(xué)報;2017年01期

3 王家臣;劉峰;王蕾;;煤炭科學(xué)開采與開采科學(xué)[J];煤炭學(xué)報;2016年11期

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