本文選題：厚煤層 + 錯(cuò)層位外錯(cuò)式��； 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：論文以斜溝礦13#厚煤層錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷為研究背景,從回采率、巷道圍巖應(yīng)力分布與穩(wěn)定性、沿空巷道位置以及沿空掘巷支護(hù)技術(shù)等方面對(duì)錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷技術(shù)展開研究,論文研究中綜合采用了包括理論分析、室內(nèi)相似模擬、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法。論文首先從大形勢(shì)即煤炭對(duì)我國(guó)能源的重要性入手,分析了我國(guó)煤炭工業(yè)存在的問題。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合論文研究的重點(diǎn)內(nèi)容,對(duì)沿空掘巷技術(shù)與厚煤層一次全高開采的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行資料整理與分析。錯(cuò)層位巷道布置采煤方法能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義的完全無煤柱開采,但長(zhǎng)期以來的研究主要集中在內(nèi)錯(cuò)式巷道布置,由于其具有分層開采下分層內(nèi)錯(cuò)式巷道布置的特點(diǎn),支護(hù)方式只能以被動(dòng)支護(hù)形式為主,影響其巷道的掘進(jìn)速度以及工作面之間的采掘接續(xù)。因此,為了解決錯(cuò)層位內(nèi)錯(cuò)式巷道布置存在的問題,論文基于錯(cuò)層位外錯(cuò)式巷道布置結(jié)合沿空掘巷技術(shù)展開研究,在此基礎(chǔ)上,確定了論文研究?jī)?nèi)容、方法與技術(shù)路線。1、通過對(duì)斜溝礦13#厚煤層錯(cuò)層位外錯(cuò)式采煤法在留設(shè)13m煤柱時(shí),巷道圍巖變形及煤柱應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),得到如下幾個(gè)結(jié)論:(1)通過對(duì)回采工作面50m和60m處的巷道頂板和60m處的煤幫進(jìn)行了鉆孔窺視,發(fā)現(xiàn)斜溝礦錯(cuò)層位外錯(cuò)式留設(shè)13m煤柱時(shí),巷道圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巷道支護(hù)困難,在鉆孔窺視的基礎(chǔ)上,對(duì)巷道圍巖進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)。(2)通過對(duì)斜溝礦外錯(cuò)式巷道在加強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖表面位移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)斜溝礦錯(cuò)層位外錯(cuò)式留設(shè)13m煤柱時(shí),巷道圍巖變形依然嚴(yán)重,且巷道圍巖變形受采動(dòng)的影響較大。(3)通過對(duì)斜溝礦外錯(cuò)式巷道煤柱支承壓力分布規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)煤柱受采動(dòng)影響較大,采動(dòng)影響范圍為40m左右,在留設(shè)13m煤柱時(shí),煤柱整個(gè)范圍內(nèi)都處于塑性區(qū)。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究分析發(fā)現(xiàn),斜溝礦13#厚煤層錯(cuò)層位外錯(cuò)式采煤法,采用留設(shè)13m煤柱開采方案存在一定的不合理性,為此,需要對(duì)其進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。2、為了確定錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空巷道位置,首先須對(duì)錯(cuò)層位起坡段下方三角煤體的穩(wěn)定性展開研究,本部分得到的具體研究成果包括:(1)分析了起坡段對(duì)回采率的影響,確定了不同起坡段存在的必要性。在此基礎(chǔ)上,建立了錯(cuò)層位起坡段下方三角煤體力學(xué)模型,采用極限平衡理論對(duì)三角煤體寬與高的關(guān)系進(jìn)行了研究,得到了處于極限平衡狀態(tài)起坡段內(nèi)煤體的承載表達(dá)式:e1-同時(shí)得到極限平衡區(qū)寬度與三角煤體高度之間的關(guān)系:分析公式發(fā)現(xiàn),隨著三角煤體高度的增加,滿足極限平衡的煤柱寬度也同樣隨之增加,僅僅從三角煤體自身力學(xué)特性來看,三角起坡段的橫向尺寸滿足極限平衡的要求,也即三角煤體內(nèi)存在破碎區(qū)、塑性區(qū)以及彈性區(qū),從而可為區(qū)段煤柱提供側(cè)向應(yīng)力。但實(shí)際開采中,受支承應(yīng)力的影響,會(huì)對(duì)底板一定深度產(chǎn)生破壞,因此進(jìn)一步將三角煤體作為底板進(jìn)行破壞性研究。(2)為了研究確定三角煤體的破壞深度,首先對(duì)底板破壞機(jī)理進(jìn)行研究分析,建立其力學(xué)模型,通過采用斷裂力學(xué)、Griffith準(zhǔn)則推導(dǎo)出處于極限狀態(tài)下底板破壞深度h1:由于底板是否發(fā)生破壞的主要影響因素包括應(yīng)力大小,因此需要進(jìn)一步確定工作面推進(jìn)過程中的應(yīng)力值。(3)將采場(chǎng)上覆關(guān)鍵層視為薄板模型,采用彈性薄板力學(xué)理論、平面胡克定律以及功的互等定理,對(duì)工作面在推進(jìn)過程中基本頂斷裂前、后基本頂對(duì)煤體的影響進(jìn)行研究,確定其彎矩分布及施加的載荷。在綜合考慮基本頂、直接頂與煤體三者關(guān)系的同時(shí),對(duì)底板破壞深度進(jìn)行了研究,得到其表達(dá)式為:在此基礎(chǔ)上,確定三角底煤穩(wěn)定性的原則,即通過h1與起坡段高度進(jìn)行對(duì)比,在[3.5m,h1]范圍內(nèi)的三角煤體均處于破壞狀態(tài),認(rèn)為不會(huì)對(duì)工作面間區(qū)段煤柱提供側(cè)向應(yīng)力,[h1,10.5m]則處于彈性狀態(tài),可對(duì)區(qū)段煤柱提供側(cè)向應(yīng)力。3、在前述研究的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)展開研究,包括區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的力學(xué)研究、巷道位置的選擇與支護(hù)技術(shù)三個(gè)方面,得到的具體研究結(jié)論如下:(1)首先對(duì)錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷實(shí)體煤一側(cè)穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析,發(fā)現(xiàn):(1)方案1,由于三角煤體處于完全破壞狀態(tài),因此其對(duì)實(shí)體煤一側(cè)完全沒有側(cè)向應(yīng)力,實(shí)體煤一側(cè)僅受到巷道支護(hù)提供的側(cè)向支護(hù)阻力Px;方案2與方案3,由于起坡段高度增加,三角煤體可對(duì)實(shí)體煤一側(cè)提供一定的側(cè)向應(yīng)力,理論上認(rèn)為方案3完全沿煤層頂板布置回采巷道,實(shí)體煤承受的側(cè)向應(yīng)力范圍最大,利于接續(xù)工作面開采時(shí)區(qū)段煤柱的穩(wěn)定。(2)結(jié)合不同三角煤體對(duì)實(shí)體煤一側(cè)支承應(yīng)力的影響,利用極限平衡理論解得巷幫距煤柱極限強(qiáng)度處的距離為:結(jié)合不同起坡方案進(jìn)行計(jì)算分析,得到沿煤層頂板布置回采巷道實(shí)體煤一側(cè)的穩(wěn)定性最好的結(jié)論。(2)在對(duì)實(shí)體煤穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合巷道布置圍巖狀態(tài)與應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn),錯(cuò)層位外錯(cuò)式巷道位置可沿采空區(qū)布置實(shí)現(xiàn)完全無煤柱開采,其特點(diǎn)包括:(1)巷道雖然沿著煤層底板布置,但圍巖處于完整與穩(wěn)定的狀態(tài),利于巷道的掘進(jìn)與維護(hù);(2)受高位煤層的影響,高位煤層處于破壞范圍,且距離接續(xù)工作面相鄰巷道4~5m,接續(xù)工作面相鄰巷道處于低應(yīng)力范圍內(nèi),同樣利于巷道的掘進(jìn)與維護(hù)。(3)接續(xù)工作面上覆煤層存在彈性區(qū),雖然高位煤層屬于破壞區(qū),可在上一工作面相鄰巷道對(duì)其巷幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),從而為接續(xù)工作面相鄰巷道采用錨桿-索進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)的實(shí)施提供條件。(3)在對(duì)沿空巷道位置選擇的基礎(chǔ)上,結(jié)合“極限自穩(wěn)平衡拱”理論對(duì)支護(hù)技術(shù)展開研究,得到如下結(jié)論:(1)推導(dǎo)出極限自穩(wěn)平衡拱的最大高度:并提出了巷幫的穩(wěn)定性對(duì)頂板極限自穩(wěn)平衡拱的高度具有較大影響,不同三角煤體對(duì)巷道頂部的支護(hù)存在差異。(2)提出了錯(cuò)層位外錯(cuò)式“相鄰巷道的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”方案。發(fā)現(xiàn)錯(cuò)層位首采工作面運(yùn)輸巷沿煤層頂板布置,與底板巷道相比,極限自穩(wěn)平衡拱的高度小于沿煤層底板布置的全煤巷道,從理論上認(rèn)為有利于支護(hù)�？紤]接續(xù)工作面相鄰巷道沿運(yùn)輸巷實(shí)體煤幫側(cè)布置,兩巷之間在橫向上不存在煤柱,縱向上存在較厚的煤層,因此可對(duì)沿煤層頂板布置的運(yùn)輸巷的實(shí)體煤幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),從而為接續(xù)工作面相鄰巷道頂板支護(hù)采用錨索的懸吊等理論提供懸吊點(diǎn),確定運(yùn)輸巷實(shí)體煤幫的支護(hù)以錨桿-索為主,采用全段錨固,同時(shí)在巷道實(shí)體煤幫打兩排4m深孔,進(jìn)行注漿(固安特),將淺部煤層形成一個(gè)整體。(4)最后,結(jié)合斜溝礦工程背景進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)分析,得到如下結(jié)論:(1)采用錯(cuò)層位外錯(cuò)式巷道布置沿空掘巷技術(shù),巷道支護(hù)的難點(diǎn)仍在于原巖應(yīng)力區(qū)全煤巷道,由于煤層較軟且承受原巖應(yīng)力,其極限自穩(wěn)平衡拱高度較大;(2)錯(cuò)層位沿煤層頂板布置的巷道由于直接支護(hù)的對(duì)象是頂板巖層,其力學(xué)強(qiáng)度大,因此其穩(wěn)定性好,自穩(wěn)平衡拱的高度較低;(3)錯(cuò)層位外錯(cuò)式完全無煤柱沿空掘巷雖然仍是全煤巷道,但其在極限平衡區(qū)下方的彈性實(shí)體煤內(nèi)布置,因此承載較低,其自穩(wěn)平衡拱高度為1.48m,對(duì)于采用主動(dòng)支護(hù)方案有利。為了對(duì)比,補(bǔ)充了傳統(tǒng)沿煤層底板巷道布置的沿空掘巷方案進(jìn)行對(duì)比,如采用傳統(tǒng)沿煤層底板沿空巷道布置,自穩(wěn)平衡拱的高度為5m。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),采用沿煤層底板巷道布置沿空掘巷技術(shù)時(shí),采用常規(guī)的錨桿支護(hù)無法滿足自穩(wěn)平衡拱的高度,因此只能依賴被動(dòng)支護(hù)或者采用增加錨索的支護(hù)密度來保證巷道的穩(wěn)定。4、斜溝礦錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空巷道布置室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)研究(1)首采工作面開采時(shí),隨著傾斜長(zhǎng)度的增加,覆巖運(yùn)動(dòng)高度、側(cè)向支承應(yīng)力峰值和影響范圍也隨之增加,但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),沿空掘巷位置處應(yīng)變片的應(yīng)力集中系數(shù)雖然有所增高,但增加幅度較小,且低于原巖應(yīng)力值,認(rèn)為受首采工作面的影響較小;(2)隨著接續(xù)工作面傾斜長(zhǎng)度增加,其覆巖運(yùn)動(dòng)特征與首采工作面相似;煤柱隨著工作面長(zhǎng)度增加,逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)槭Х�(wěn),當(dāng)煤柱尺寸從15m-10m時(shí)裂隙大量生成,當(dāng)煤柱尺寸為8m時(shí),煤柱發(fā)生整體破壞失穩(wěn);(3)接續(xù)工作面開采期間,通過對(duì)首采工作面完全沿空掘巷位置處應(yīng)變片的數(shù)據(jù)收集與整理,發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力有進(jìn)一步增加的趨勢(shì),但應(yīng)力值增加較小,其最大應(yīng)力集中系數(shù)僅為0.45。5、斜溝礦錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空掘巷數(shù)值模擬研究(1)綜合分析了不同起坡高度三角煤體的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)隨著起坡高度增加,下方三角煤體的穩(wěn)定性增強(qiáng),且整體處于應(yīng)力降低區(qū)。(2)綜合分析了不同起坡高度三角煤體對(duì)實(shí)體煤側(cè)的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)隨著起坡段高度增加,實(shí)體煤一側(cè)極限平衡區(qū)范圍減小,彈性區(qū)范圍進(jìn)一步增加。(3)在確定起坡段高度為10.5m對(duì)實(shí)體煤的穩(wěn)定性最優(yōu)前提下,對(duì)不同尺寸煤柱的穩(wěn)定性展開進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)完全沿空掘巷三角煤體一側(cè)破壞范圍最小,可實(shí)現(xiàn)有效控制巷幫,圍巖應(yīng)力集中系數(shù)也最小,即對(duì)巷道圍巖的支護(hù)強(qiáng)度要求最低,同時(shí)完全沿空掘巷可通過對(duì)上一工作面運(yùn)輸巷實(shí)體煤幫一側(cè)加強(qiáng)支護(hù)改善圍巖狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)錨桿+錨索的主動(dòng)支護(hù)方案。6、斜溝礦錯(cuò)層位外錯(cuò)式巷道沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究結(jié)合前述理論分析、相似模擬和數(shù)值模擬研究分析結(jié)論,對(duì)斜溝礦錯(cuò)層位外錯(cuò)式巷道及相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化,提出了將錯(cuò)層位起坡段高度增加至10.5m、采用錯(cuò)層位外錯(cuò)式完全沿空掘巷以及“相鄰巷道的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”方案,并采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證,優(yōu)化方案提高了煤炭采出率,同時(shí)圍巖應(yīng)力和巷道變形量都有很大程度的下降,達(dá)到了優(yōu)化的目的。論文取得以下創(chuàng)新點(diǎn):(1)采用極限平衡理論對(duì)三角煤體寬與高的關(guān)系進(jìn)行了研究,得到了處于極限平衡狀態(tài)起坡段內(nèi)煤體的承載表達(dá)式:同時(shí)得到極限平衡區(qū)寬度與三角煤體高度之間的關(guān)系:(2)綜合考慮基本頂、直接頂與煤體三者的關(guān)系的同時(shí),對(duì)底板破壞深度進(jìn)行了研究,得到其表達(dá)式為:(3)發(fā)現(xiàn)采用錯(cuò)層位外錯(cuò)式沿空巷道布置,當(dāng)回采巷道沿煤層頂板布置,下方實(shí)體煤受到起坡段三角煤體的側(cè)向支承作用,接續(xù)工作面相鄰巷道完全無煤柱沿空掘巷時(shí),巷道一側(cè)三角煤體屬于彈性區(qū),巷道圍巖完整性好,且承載較小。(4)提出了錯(cuò)層位外錯(cuò)式“相鄰巷道的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”方案,即采用錨桿+7.5m錨索+注漿,采用全段錨固,在巷道實(shí)體煤幫打兩排4m深孔,進(jìn)行注漿(固安特),將淺部煤層形成一個(gè)整體,對(duì)實(shí)體煤一側(cè)巷道進(jìn)行主動(dòng)加強(qiáng)支護(hù),為接續(xù)工作面沿空巷道頂板采用錨桿-索的懸吊提供懸吊點(diǎn)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD353

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6 邢攀;沿空掘巷中錨筋?yuàn)A芯煤柱混凝土隔離墻的結(jié)構(gòu)性能研究[D];西安科技大學(xué);2012年

7 劉權(quán);四臺(tái)煤礦沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

8 聶建湘;朱集礦深井復(fù)合頂板沿空掘巷控制技術(shù)研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2014年

9 王冕;新安煤礦沿空掘巷防突效果考察技術(shù)研究[D];河南理工大學(xué);2011年

10 徐乃忠;大采高沿空掘巷底臌機(jī)理及控制研究[D];安徽理工大學(xué);2005年

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本文編號(hào)：1763106