發(fā)布時(shí)間：2020-06-12 09:09

【摘要】：如何加快掘進(jìn)效率、緩解采掘接替緊張是高瓦斯礦井亟需解決的問題。合理利用煤層內(nèi)部瓦斯壓力降低區(qū)域,減少防突措施執(zhí)行頻率,可有效提高掘進(jìn)效率。本文以宣東二號(hào)煤礦Ⅲ3302工作面巷內(nèi)充填沿空掘巷為研究對(duì)象,通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段,研究如何在大采深、高瓦斯的礦井中實(shí)施沿空掘巷。文章以高水材料為主料,研制符合礦山要求的充填料漿并給出其組成與配比,對(duì)充填體的性能以及影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;分析巷內(nèi)充填體上覆巖層的斷裂結(jié)構(gòu),給出充填體與直接頂、基本頂之間的協(xié)調(diào)變形關(guān)系;提出了充填體、關(guān)鍵塊體B穩(wěn)定的條件與判斷公式;建立了煤柱-充填體的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型,分析煤柱與充填體之間的力學(xué)關(guān)系;利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)影響煤柱塑性區(qū)寬度的因素進(jìn)行了分析;揭示了不同煤柱寬度、不同充填體強(qiáng)度下的圍巖變形破裂規(guī)律;提出高瓦斯礦井沿空掘巷煤柱寬度的綜合確定方法,確定了煤柱寬度的合理范圍;將以上研究在工程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用,通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了在高瓦斯礦井中進(jìn)行巷內(nèi)充填沿空掘巷的可行性。文章的主要研究?jī)?nèi)容有以下幾點(diǎn):(1)研制了符合礦山工程要求的充填料漿,給出其具體組成與配比;對(duì)充填體的力學(xué)性能以及影響因素進(jìn)行分析;建立了充填體抗壓強(qiáng)度的二元回歸數(shù)學(xué)模型;對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)的充填工藝流程、參數(shù)進(jìn)行說明。(1)研究了符合現(xiàn)場(chǎng)工程要求的充填料漿,確定了充填料漿的水灰比1.5:1、矸石摻量10%。對(duì)充填體的力學(xué)性能以及影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析。(2)利用Matlab數(shù)學(xué)軟件,建立二元回歸模型,經(jīng)過回歸分析和檢驗(yàn),建立抗壓強(qiáng)度數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,并對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。(3)對(duì)井下巷內(nèi)充填的充填工藝參數(shù)、工藝流程、充填體的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。(2)簡(jiǎn)化了充填體與上部巖層的力學(xué)關(guān)系,推導(dǎo)出巷內(nèi)充填體的切頂阻力、切頂高度的計(jì)算公式,對(duì)充填體上方頂板圍巖的斷裂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;研究充填體與頂板之間的協(xié)調(diào)變形關(guān)系;分析頂板斷裂后關(guān)鍵塊體B與充填體保持穩(wěn)定的判斷條件。(1)分析了充填體上方覆巖的斷裂形式,簡(jiǎn)化巷內(nèi)充填體與頂板的力學(xué)模型,推導(dǎo)出巷內(nèi)充填體的切頂阻力、切頂高度的表達(dá)式。(2)給出了關(guān)鍵塊體B與下沉量ΔS_B、旋轉(zhuǎn)角度α之間的關(guān)系,以及其自身穩(wěn)定性的判定條件。分析了巷內(nèi)充填體與直接頂、基本頂之間的協(xié)調(diào)變形關(guān)系。(3)研究了充填體在水平方向上的穩(wěn)定性,認(rèn)為充填體采空側(cè)的受力可以近似利用朗肯土壓力公式進(jìn)行計(jì)算,提出了充填體保持平衡的條件。(3)以煤柱-充填體作為研究對(duì)象,建立了煤柱-充填體接觸面力學(xué)模型,分析巷內(nèi)充填沿空掘巷煤柱-充填體的受力特點(diǎn);研究煤柱與充填體之間的力學(xué)關(guān)系,并分別計(jì)算應(yīng)力極限平衡區(qū)的范圍;分析了瓦斯壓力、支護(hù)阻力、煤體內(nèi)聚力等對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響;建立數(shù)值模型對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行了數(shù)值分析。(1)研究了沿空掘巷窄煤柱的留設(shè)特征以及破壞機(jī)理,對(duì)煤柱、充填體所能承受的極限強(qiáng)度(σ_(Jm)、σ_(Jc))進(jìn)行了計(jì)算。(2)建立煤柱-充填體力學(xué)關(guān)系模型,對(duì)煤柱與充填體接觸面進(jìn)行力學(xué)分析,得出煤柱與充填體之間作用力F_0的表達(dá)式,為進(jìn)一步分析煤體與充填體之間的關(guān)系提供幫助。建立煤柱-充填體兩幫力學(xué)模型,分別給出煤柱與充填體各自塑性區(qū)的計(jì)算表達(dá)式。(3)利用數(shù)學(xué)計(jì)算軟件Matlab,分析了沿空掘巷巷道周圍塑性區(qū)半徑與充填體強(qiáng)度、煤層瓦斯壓力、支護(hù)阻力、煤體內(nèi)聚力之間的關(guān)系。(4)提出巷內(nèi)充填沿空掘巷的煤柱-充填體寬度的確定方法,認(rèn)為高突礦井巷內(nèi)充填沿空掘巷的煤柱-充填體寬度需結(jié)合理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程實(shí)踐、瓦斯壓力測(cè)量等范圍共同確定。(5)研究深部圍巖巷道與支護(hù)的關(guān)系,給出了巷道的變形曲線,同時(shí)對(duì)支護(hù)阻力、圍巖塑性區(qū)半徑、巷道周邊的位移之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。(4)對(duì)覆巖關(guān)鍵層巖芯取樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測(cè)定,采用應(yīng)力解除法進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量,得到了煤層上方的原巖應(yīng)力分布情況,為數(shù)值模擬分析提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。利用Flac3D數(shù)值模擬軟件,分析了不同煤柱寬度、不同充填體強(qiáng)度下沿空掘巷巷道的圍巖應(yīng)力與位移情況。(1)對(duì)關(guān)鍵巖層進(jìn)行巖芯取樣,并對(duì)巖石的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。利用應(yīng)力解除法,選用空心包體計(jì)進(jìn)行地應(yīng)力水平測(cè)量,得出礦井原巖應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力相差較小,豎向應(yīng)力為最小主應(yīng)力,以及各方向應(yīng)力的數(shù)值變化范圍。(2)建立數(shù)值模型,模擬煤柱寬度分別為2m、3m、4m、5m、6m時(shí)(充填體強(qiáng)度10MPa),充填體強(qiáng)度分別為12MPa、10MPa、9MPa、8MPa時(shí)(煤柱寬度4m)的沿空掘巷巷道的應(yīng)力變化與位移情況。(3)通過對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果分析,得出數(shù)值模擬條件下的沿空掘巷煤柱寬度的范圍。(4)根據(jù)現(xiàn)有的支護(hù)構(gòu)件的具體參數(shù),建立模型并對(duì)不同支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值分析,得出沿空掘巷巷道的最佳支護(hù)參數(shù),確定巷道的支護(hù)方案。利用數(shù)值模擬,分析了該支護(hù)方案下的巷道圍巖變形情況。(5)通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程實(shí)際等綜合確定煤柱的合理寬度。利用巷道表面位移、頂板離層監(jiān)測(cè)、支護(hù)構(gòu)件受力、頂板鉆孔窺視等手段對(duì)沿空掘巷的巷道在掘巷和回采期間的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出在高突礦井中實(shí)施巷內(nèi)充填沿空掘巷可明顯提高掘進(jìn)效率,具備可行性。(1)通過對(duì)煤層瓦斯壓力、鉆屑量的數(shù)據(jù)測(cè)量與計(jì)算,得出瓦斯壓力小于0.74MPa或瓦斯含量低于8m~3/t的區(qū)域范圍,結(jié)合沿空掘巷煤柱寬度的理論計(jì)算、數(shù)值模擬分析、現(xiàn)場(chǎng)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等最終確定了宣東二號(hào)煤礦采用巷內(nèi)充填沿空掘巷的煤柱寬度。(2)對(duì)充填體所受的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明充填體的受力均在其極限強(qiáng)度范圍內(nèi),給出了工程實(shí)際應(yīng)用中的巷道支護(hù)參數(shù)。(3)利用表面位移觀測(cè)、頂板離層觀測(cè)、支護(hù)構(gòu)件的受力監(jiān)測(cè)以及頂板鉆孔窺視等手段,對(duì)巷道掘進(jìn)期間、回采初期進(jìn)行礦壓觀測(cè),分析了巷道圍巖的變形與破壞情況。(4)通過支護(hù)構(gòu)件的受力監(jiān)測(cè)分析,得知沿空掘巷的受力主體是實(shí)體煤幫,它承載了大部分上覆巖層的重量。支護(hù)構(gòu)件受力檢測(cè)顯示,回采期間支護(hù)構(gòu)件受采動(dòng)影響較大,已經(jīng)接近承載極限。個(gè)別地段頂板變形破壞嚴(yán)重需要加強(qiáng)維護(hù)。(5)通過頂板鉆孔窺視,分析了掘進(jìn)與回采期間,頂板深部圍巖隨工作面推進(jìn)的破壞情況,其中掘進(jìn)期間圍巖未見明顯破壞,巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方案對(duì)圍巖的變形起到了明顯的控制作用,回采期間圍巖與工作面距離的越近,破壞也越嚴(yán)重。
【圖文】：

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）博士學(xué)位論文對(duì)高水材料試塊進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。按照水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件，抗壓強(qiáng)度測(cè)定。參照 GB/T17671-1999 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度的實(shí)采用普通的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度采用角模實(shí)驗(yàn)，法實(shí)驗(yàn)，，其實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表 2.1 所示：表 2.1 不同齡期的試塊強(qiáng)度Tab2.1 Different age test block strength抗壓強(qiáng)度(MPa) 抗折強(qiáng)度(MPa) 抗拉強(qiáng)3.7 1.4 05.9 2.5 07.64 3.6 010.86 4.1 0

2 充填材料及其工藝 水速凝材料的甲料和乙料兩種單獨(dú)放置的漿液進(jìn)行混合后有大量的針狀鈣礬石的晶體結(jié)構(gòu)生成。這是前期高水速凝反應(yīng)速度很快，因此在高水材料試塊養(yǎng)護(hù)前期，材料的抗齡期的不斷變長(zhǎng)，反應(yīng)速度逐漸放慢，材料的抗壓強(qiáng)度的高水速凝材料的強(qiáng)度發(fā)展曲線與力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果材料的微觀特性料硬化體的微觀分析包括兩部分，第一是微觀形貌，第二是料的硬化體的微觀形貌和物相結(jié)構(gòu)在不同的時(shí)期具有不同固化初期，物相以針狀鈣礬石為主，但是隨著環(huán)境和溫度的漸的發(fā)生變化而生成其他物質(zhì)。一般來講，高水材料中的比在 80%以上。鈣礬石呈三方晶系，柱狀結(jié)構(gòu)。隨著環(huán)境逐漸發(fā)生變化，生成其他物質(zhì)。鈣礬石的晶體結(jié)構(gòu)如圖 2
【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】：2018
【分類號(hào)】：TD263;TD353

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本文編號(hào)：2709315