【摘要】：本文以六家礦近距離煤層群為實(shí)際工程背景,綜合采用理論分析、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)等手段,對(duì)近距離煤層開采覆巖運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,得到如下結(jié)論:1.近距離煤層間覆巖結(jié)構(gòu)模型及失穩(wěn)特征(1)根據(jù)六家礦近距離6#煤層群工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)分布特征,將近距離煤層采空區(qū)下煤層間覆巖結(jié)構(gòu)分為兩類:煤層間無(wú)基本頂結(jié)構(gòu)、煤層間存在基本頂結(jié)構(gòu)。當(dāng)煤層間存在基本頂結(jié)構(gòu)時(shí),基本頂破斷后將有“砌體梁”結(jié)構(gòu)和“懸臂梁”結(jié)構(gòu)兩種存在形式。(2)根據(jù)采場(chǎng)的薄板礦壓理論,對(duì)工作面基本頂斷裂力學(xué)模型進(jìn)行了研究,建立了多種支承條件下的彈性薄板結(jié)構(gòu),首采工作面開采期間,在基本頂初次斷裂前,可將其視為四邊固支板,斷裂后視為三邊固支一邊簡(jiǎn)支板,在接續(xù)工作面開采期間,在基本頂初次斷裂前,可將其視三邊固支一邊簡(jiǎn)支板,斷裂后視為兩相鄰邊固支兩相鄰邊簡(jiǎn)支板。對(duì)建立的4種采場(chǎng)薄板力學(xué)模型利用能量原理和ANSYS數(shù)值解法進(jìn)行求解,計(jì)算得到工作面基本頂彎矩分布情況,進(jìn)而可求得基本頂斷裂步距。(3)建立基本頂斷裂后關(guān)鍵塊力學(xué)模型,分別求得基本頂初次斷裂和周期斷裂后巖塊發(fā)生滑落失穩(wěn)和回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)的條件,從而得出基本頂斷裂后以“砌體梁”結(jié)構(gòu)或“懸臂梁”結(jié)構(gòu)形式存在的條件。2.近距離煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律通過(guò)對(duì)3個(gè)具有代表性的近距離下部煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié),并分析比較它們之間的差異性,得出了近距離下煤層工作面礦壓顯現(xiàn)特征:(1)近距離下部煤層工作面來(lái)壓顯現(xiàn)不明顯,來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)低,平均僅為1.182,支架工作阻力升高幅度較小。(2)工作面來(lái)壓ki距不均勻,呈現(xiàn)大小周期性變化,這與上覆巖層不同層位基本頂周期性失穩(wěn)有關(guān),工作面周期來(lái)壓步距不大,平均19.6m。(3)工作面初次來(lái)壓與層間結(jié)構(gòu)關(guān)系較大,當(dāng)層間距較小,層間巖層只存在直接頂時(shí),工作面初次來(lái)壓步距較小,與周期來(lái)壓沒有明顯的區(qū)別,當(dāng)層間距較大,層間存在完整的基本頂巖層時(shí),初次來(lái)壓步距較大。(4)近距離煤層間存在堅(jiān)硬基本頂時(shí),工作面將受到上部關(guān)鍵層與本煤層基本頂雙重來(lái)壓作用,來(lái)壓程度較層間無(wú)堅(jiān)硬基本頂結(jié)構(gòu)有所增加。3.近距離煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征(1)近距離煤層首采1#煤層開采與下部煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征有較大區(qū)別,首采煤層開采時(shí),覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律與單一煤層開采相似,隨工作面推進(jìn)逐漸經(jīng)歷直接頂初次垮落-基本頂初次斷裂-基本頂周期性斷裂等階段。(2)開采下部2#煤層時(shí),由于煤層間距較小僅有2m左右,層間巖層為隨采隨冒的直接頂,不存在可形成基本頂結(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬巖層,因而對(duì)工作面頂板來(lái)壓起控制作用的主要為已采1#煤層基本頂結(jié)構(gòu),隨工作面推進(jìn)已破斷的下位基本頂發(fā)生回轉(zhuǎn)變形,并伴隨滑落失穩(wěn),造成工作面來(lái)壓,工作面推進(jìn)到前方70m距離時(shí),1#煤層上位基本頂達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限發(fā)生初次破斷,進(jìn)一步加劇了工作面來(lái)壓,因此,對(duì)2#煤層工作面來(lái)壓起主要作用的為上煤層完整上位基本頂破斷和已破斷下位基本頂失穩(wěn)。(3)開采下部3#煤層時(shí),由于本煤層與上部已采2#煤層間距較大達(dá)到9m,且兩層煤之間的夾層有穩(wěn)定的砂巖結(jié)構(gòu),可形成基本頂巖層,與上部2#煤層開采時(shí)只存在直接頂有顯著不同,隨工作面推進(jìn),本煤層基本頂逐漸達(dá)到頂板的抗拉極限發(fā)生周期性斷裂,同時(shí)上煤層已斷裂并重新達(dá)到平衡結(jié)構(gòu)的下位基本頂也發(fā)生回轉(zhuǎn)滑落失穩(wěn),加劇了工作面來(lái)壓現(xiàn)象。因此,當(dāng)煤層間存在堅(jiān)硬基本頂結(jié)構(gòu)時(shí),工作面來(lái)壓受本煤層基本頂周期性斷裂、上部基本頂關(guān)鍵層鉸接平衡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)雙重影響作用。4.近距離煤層開采應(yīng)力分布規(guī)律(1)首采煤層開采時(shí)本煤層與下部煤層應(yīng)力分布具有如下規(guī)律:①開采最初階段工作面前方支承壓力峰值隨工作面推進(jìn)逐漸增加,1#煤層從切眼推進(jìn)到70m距離時(shí)垂直應(yīng)力逐漸達(dá)到最大值,由24.13mpa增加到33.48mpa,最大應(yīng)力集中系數(shù)由1.40增加到1.94,隨后工作面前方支承壓力有所降低并逐漸趨于穩(wěn)定。②采空區(qū)中部垮落巖石壓實(shí)區(qū)域支承應(yīng)力隨工作面推進(jìn)逐漸增加,工作面推進(jìn)110m時(shí)采空區(qū)中部60m范圍垮落巖石被壓實(shí),壓實(shí)區(qū)應(yīng)力峰值超過(guò)了工作面前方支承壓力峰值。③下部煤層受采動(dòng)影響明顯小于上部煤層,推進(jìn)過(guò)程中工作面前后壓實(shí)區(qū)域支承壓力均低于上部開采煤層,影響程度隨距開采煤層距離增加而減小。(2)下部煤層開采應(yīng)力分布具有如下規(guī)律:①由于上部煤層已采,下部煤層開采位于上煤層采空區(qū)下,支承壓力分布規(guī)律與首層煤開采時(shí)顯著不同,從切眼開始工作面將逐步受到上層煤開采后的應(yīng)力降低區(qū)-垮落巖石壓實(shí)區(qū)-應(yīng)力降低區(qū)影響。②隨工作面推進(jìn),在本煤層工作面采空區(qū)內(nèi),上覆巖層將重新壓實(shí),逐步形成新的支承壓力區(qū),工作面前方與采空區(qū)壓實(shí)區(qū)支承壓力峰值顯著小于首煤層開采,受本煤層開采影響工作面前方支承壓力升高系數(shù)較小,但由于上覆巖層裂隙帶和彎曲下沉帶范圍增加,切眼與停采線處支承壓力相應(yīng)增大。③下部3#煤層受2#煤層開采影響程度減輕,采空區(qū)支承壓力小于2#煤層,接近原巖應(yīng)力水平,且工作面前方支承壓力升高不明顯,當(dāng)工作面推進(jìn)到90m,位于上煤層壓實(shí)區(qū)域外的應(yīng)力降低區(qū)時(shí),前方支承應(yīng)力有較大增加。④由于均為采空區(qū)下開采,3#煤層開采時(shí)應(yīng)力分布規(guī)律與2#煤層開采時(shí)較為接近,由于上部采空區(qū)壓實(shí)區(qū)應(yīng)力降低,工作面前方支承壓力峰值進(jìn)一步減小,但切眼煤壁與停采線處支承應(yīng)力繼續(xù)增加。(3)不同層間距下部煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律:不同層間距下部煤層開采工作面前后應(yīng)力分布特征相差不大,但上覆巖層運(yùn)動(dòng)特征具有明顯區(qū)別,當(dāng)層間距較小時(shí),煤層間只有直接頂,隨著層間距增加,當(dāng)層間存在堅(jiān)硬基本頂時(shí),工作面來(lái)壓不僅受到上部關(guān)鍵層破斷失穩(wěn)影響,也受到本煤層基本頂破斷影響。5.近距離煤層開采室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)研究(1)下部煤層開采直接頂初次垮落步距和基本頂初次斷裂步距均小于上部煤層開采,上煤層開采到40m左右時(shí),直接頂初次垮落,開采到50m左右時(shí),基本頂初次斷裂,下煤層直接頂初次垮落步距和基本頂初次斷裂步距分別約為30m和45m。(2)隨著工作面推進(jìn),工作面前方煤壁支撐區(qū)支承壓力峰值逐漸增加,采空區(qū)后方離層區(qū)卸壓范圍和卸壓程度逐漸增大,同時(shí),由于采空區(qū)上覆巖層逐漸觸矸壓實(shí),工作面推進(jìn)到110m時(shí),壓實(shí)區(qū)應(yīng)力達(dá)到了原巖應(yīng)力水平。(3)在下煤層工作面推進(jìn)過(guò)程中煤壁前方支承壓力峰值整體呈上升態(tài)勢(shì),但由于下煤層位于上部采空區(qū)下,上部頂板壓實(shí)范圍較小,因而下煤層工作面整體處于應(yīng)力降低區(qū),應(yīng)力峰值小于開采相同距離時(shí)的上煤層工作面前方應(yīng)力峰值,但工作面停采線110m煤壁處的支承應(yīng)力卻較上煤層開采時(shí)有明顯上升,這主要是由于采動(dòng)范圍的增加,導(dǎo)致裂隙帶范圍增大,使兩側(cè)煤壁支撐區(qū)承擔(dān)載荷相應(yīng)增加。(4)由于下部開采煤層與上部已采煤層間存在基本頂結(jié)構(gòu),在下煤層工作面推進(jìn)過(guò)程中,工作面來(lái)壓將同時(shí)受到本煤層基本頂斷裂與上煤層已斷裂基本頂變形失穩(wěn)的影響。6.近距離煤層工作面支架合理工作阻力及適應(yīng)性研究(1)根據(jù)三種煤層間結(jié)構(gòu)模型,以及對(duì)基本頂斷裂失穩(wěn)特征的分析,建立了三種近距離煤層工作面支架-圍巖關(guān)系模型,并確定了不同模型下支架工作阻力計(jì)算式。(2)基于WⅡN36-6工作面的實(shí)測(cè)礦壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),按照載荷估算法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法對(duì)工作面支架合理工作阻力進(jìn)行了估算,得到了滿足工作面生產(chǎn)安全要求的支架合理工作阻力。(3)對(duì)工作面現(xiàn)有支架進(jìn)行了承載特性與適應(yīng)性分析,從初撐力合格率與平均值來(lái)看,工作面支架初撐力偏低,達(dá)不到額定初撐力的75%,合格率也不足65%,與支護(hù)要求相差甚遠(yuǎn),因此必須采取有效措施增加支架初撐力,保證初撐力的合格率。(4)支架循環(huán)末阻力分布基本呈現(xiàn)前低后高形,即低工作阻力所占比例較小,高工作阻力特別是大于額定阻力90%的末阻力所占比例較高,表明支架阻力富余程度不大,但支架阻力超出額定阻力的比例很小,總的來(lái)說(shuō)可以滿足工作面生產(chǎn)要求。本文以六家礦近距離煤層群為實(shí)際工程背景,采用多種技術(shù)方法,對(duì)近距離煤層開采煤層間覆巖結(jié)構(gòu)分類、覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、基本頂破斷失穩(wěn)力學(xué)模型、支架工作阻力及承載特性等進(jìn)行了進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,獲得了大量有益的結(jié)論。
【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】：2015
【分類號(hào)】：TD323

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2747004