工作面回采率偏低、采空区中浮煤较大易自然发火一直是放顶煤采煤法两个亟待研究和解决的重要问题。本文以西山煤电集团镇城底矿2#煤层错层位负煤柱巷道布置采煤法为工程背景,对易自燃煤层错层位负煤柱综放开采技术矿压显现特点及规律对采空区自然发火的影响展开分析与研究。本文在研究过程中应用了如下几种研究方法:理论分析与公式推导、实验室物理相似模拟实验、计算机数值模拟试验和工程现场实测数据采集及综合评估等,提出通过错层位采煤法改变巷道搭接形式来影响采空区垮落煤岩体碎胀系数、孔隙率及渗透率以达到提高回采率和利于防治采空区自然发火的目的。论文首先从厚煤层综放开采的重要性入手,分析了放顶煤开采过程中存在的两个主要问题,其次结合镇城底矿的实际开采情况整理与分析了关于煤炭自然发火的国内外研究现状、错层位采煤法研究的现阶段状况,在此前提下对本文的主要研究内容、方法及技术路线进行了明确。1、分析研究综放采空区自燃空间特性,通过对综放采空区自然发火三带及自燃危险区域进行分析,同时指出综放采空区多孔介质的概念、基本参数、裂隙形成理论及其渗流规律,发现:(1)国内外研究学者普遍认为采空区自燃三带在沿着回采工作面指向采空区深部方向划分为:散热带、氧化升温带和窒息带三部分;但是作为防治采空区自燃的重要基础,自燃三带的划分标准在目前的学术界还没有形成一个统一准则。(2)采空区多孔介质的重要概念及参数主要有:孔隙率、比面、弯曲率、固体颗粒尺寸(粒径分布)和孔隙尺寸等流动表征结构参数;以及速度、比流量、渗透率、饱和度、毛细压力等流动基本特性参数。(3)然后接着分析了采空区覆岩孔隙率的三维空间分布特点,运用弹性薄板弯曲理论计算未破断失稳岩层发生挠曲下沉量基础上,推导出计算采空区垮落带岩层和离层带岩层孔隙率的公式如下,并对公式进行了试用性验算:分析采空区主要气体组分及其渗流模型,对采空区破碎煤岩体漏风风流流态、孔隙率、风压梯度、渗流风量等有关漏风参数之间相互关系进行研究,得出:①巷道围岩破碎煤岩体形成多孔介质的漏风风流雷诺系数一般小于0.25,风流流态属于层流符合线性达西定律;②防止漏风导致自然发火可重点主要从降低风压梯度、风流流量及漏风介质的孔隙率和渗流系数等方面着手;③导致产生破碎煤岩体漏风风压的主要因素包括浮煤堆积造成氧化升温而形成的热力风压和煤柱稳定性受到影响而产生裂隙致其两侧产生的风压差;④错层位巷道布置下相邻工作面搭接处不留端头顶煤及巷道顶煤,即开采过程中大量减少了浮煤,使得热力风压减少而利于采空区防治漏风与自然发火。2、通过“砌体梁”理论、关键层理论、克希荷夫定理、塑性力学和胡克定律等,并考虑岩层垮落角对错层位采煤法采空区围岩应力分析与自然发火关系展开研究,得到主要结论如下:(1)对错层位采煤法覆岩基本顶在不同煤柱尺寸条件下建立了几种常见的力学模型,并对其支撑条件分别求解得到相应模型的弯矩峰值分布及其断裂步距计算公式;基于以上弯矩分布与计算公式分析了错层位采煤法三角煤柱区域受力和塑性区分布,修正得到三角煤柱区域塑性区最大发展深度计算公式:分析错层位采煤法围岩大、小结构形成及稳定性,得到接续工作面侧三角煤柱曲边上垂直应力计算公式:(2)结合以上错层位采煤法矿山压力特点力学分析基础,对其工作面不同开采阶段采空区漏风机理研究,认为错层位巷道搭接布置所产生三角煤柱起坡段侧煤岩体碎胀系数、孔隙率较传统放顶煤与分层开采相应区域其值变小,由达西定律可知风压梯度相同情况下的错层位采煤法三角煤柱侧漏风量亦会减小。但其接续工作面进风巷道顶板需要借鉴分层采采空区注浆办法防治自然发火。(3)错层位巷道搭接布置所产生的三角煤柱形式提高了工作面回采率,降低导致采空区自然发火遗煤量的产生。其采空区冒落带的煤柱起坡段孔隙率值低于采空区另一侧及传统放顶煤相应位置的孔隙率值,使得错层位采煤法冒落带孔隙率值在采空区空间呈现出一种不对称分布的新变化:(4)通过模糊数学与层次分析法原理建立了错层位采煤法自然发火危险性模糊评价模型,并计算得到煤层自然发火指数评定值从采用传统放顶煤的0.56(属于Ⅰ类危险)降低到采用错层位巷道布置采煤法的0.493(属于Ⅱ类危险),即利于防治采空区自然发火。3、基于西山煤电集团镇城底矿2#煤层工程背景进行实验室物理相似模拟,分析开采过程中上覆岩层的垮落特征对垮落岩体碎涨系数、孔隙率及渗透系数的影响,并对比错层位留煤柱巷道布置和传统放顶煤留煤柱的稳定性和对漏风的影响,主要结论如下:(1)错层位采煤法由于接续工作面巷道位于首采面采空区下,采空区垮落后为上部岩层,大量减少松散浮煤堆积,削弱了热力风压造成的漏风而降低了巷道自然发火的可能性。(2)错层位采煤法接续工作面顶板进入周期性垮落阶段后,三角实体煤柱处于上工作面采空区内回风巷侧大结构下方,利于其保持稳定而防止漏风,但接续工作面顶板为垮落的岩体,漏风将大于传统放顶煤开采,需采取向工作面进风巷侧采空区注浆等措施,虽然存在一定漏风,由于起坡段不留顶煤亦可降低自然发火几率。(3)对比分析传统放顶煤留设煤柱及错层位巷道搭接下留设煤柱的稳定性,得出错层位采煤法留设煤柱的稳定性优于传统放顶煤开采,有效减少煤柱裂隙产生及其发展,利于防治由于煤柱两侧风压差产生漏风而导致自然发火。(4)基于相似模拟实验应变片对应力检测结果分析可以看出,错层位三角煤柱起坡处的采空区应力高于传统放顶煤开采,其相应区域孔隙率及渗透性降低。同时验证了错层位采煤法采空区冒落带孔隙率呈现不对称分布变化的理论分析。4、运用软件ANSYSR18.0并结合西山煤电集团镇城底矿2#煤层工程背景进行数值模拟实验,模拟分析了三种错层位巷道布置及传统放顶煤留煤柱布置煤层开采过程中垂直正应力及塑性区发展的分布情况,及其对煤岩体碎胀系数、孔隙率变化及渗透率等自然发火因素的影响,主要结论有:(1)通过留设煤柱达到防治巷道向相邻采空区漏风的效果,通过错层位巷道布置可以减小煤柱损失,提高煤炭回收率。错层位巷道布置下留设相同宽度的煤柱时较传统放顶煤对防治漏风更有利;经对比分析四种方案,得出针对于类似镇城底矿2#煤层易自燃条件来说,采空区自然发火的防治效果有:错层位负煤柱巷道布置>错层位零煤柱巷道布置>错层位留设5m煤柱>传统放顶煤留设5m煤柱。(2)错层位负煤柱综放工作面采空区不同位置处应力峰值不同,具体表现为:采空区中部受力>采空区下部起坡段受力>采空区上部受力,佐证了本文第四章物理相似模拟和第三章3.7节关于错层位三角煤柱起坡段区域碎胀系数、孔隙率及渗透率呈现新空间分布规律的结论,分析其主要原因是受到错层位起坡段区域采高渐小的影响。(3)基于方案2的数值模拟结果分析得出错层位负煤柱巷道布置综放工作面进风巷两侧围岩变形移近量大致相同;并且与进风巷相比,回风巷(起坡段)围岩变形量、围岩应力均较小,使其掘进和维护较容易,说明错层位负煤柱巷道搭接布置形式可以削弱巷道冒顶现象,有效的规避巷道高冒区发生火灾隐患。5、利用流体软件FLUENT并结合镇城底矿2#煤层实际工程条件以及错层位负煤柱条件下采空区孔隙率空间分布的新变化,模拟分析了错层位三维采空区渗流场、压力场和浓度场多场综合下气体组分的分布规律,包括相对静压力、速度矢量、组分浓度及自燃氧化带范围分布。主要结论有:(1)采场风流从进风巷流入,主要流经工作面与支架部分,经回风巷流出。进入采空区的漏风量的大小与采空区多孔介质的孔隙率和渗透率、采空区压力、采空区瓦斯涌出情况、进风侧的风流速度等因素有关。采空区漏风流的流进、流出分别自进风侧、回风侧完成,其流动范围主要为工作面周围的采空区浅部,且主要在相当于巷道高度的z平面高度范围内流动。在其他部分也有流动,但流速较小,且局部流场受气体浓度场影响。(2)由于U形通风是“一源一汇”的情况,顶板处风流也是流向工作面,进而从回风巷流出。(3)毗邻工作面上隅角的采空区相对静压力较小,形成了负压区,采空区各组分气体易聚集在毗邻工作面上隅角的位置。(4)采空区瓦斯总的分布规律是采空区深部CH4浓度高,靠近工作面侧的采空区CH4浓度低。采空区瓦斯在倾向一般是不对称的,进风巷侧CH4浓度低,而回风巷侧浓度高。(5)CH4、O2、CO和CO2在采空区浅部受进风侧的新鲜空气漏风影响,各自相应组分浓度低,而向着采空区深部方向上浓度逐渐增加;并且,O2、CO和CO2在采空区进风侧毗邻工作面下隅角处浓度大,而在采空区深部回风侧的浓度小,同时CO和CO2的浓度相对O2小很多。(6)采空区三角煤柱侧(回风侧)多孔介质孔隙率、渗透率比采空区另一侧(进风侧)较小,加之采空区深部受到工作面进、回风“一源一汇”大循环的影响远小于采空区浅部,导致在工作面倾向上,O2、CO和CO2浓度分布与CH4浓度分布相类似而呈现出不对称分布,即在回风侧(三角煤柱起坡段侧)浓度分布普遍高于采空区另一侧,而这种不对称性分布特点随着向采空区深部方向出现逐渐减弱的现象。(7)在不同z平面高度上的CH4、O2、CO和CO2分布规律有:在较低平面上,靠近工作面的采空区浅部各组分浓度较小且向回风侧聚集;而在较高平面上,浓度较大且受浮力作用,易聚集在采空区深部回风侧。(8)以漏风风速V漏<0.004 m/s的区域和氧气体积分数C氧>10%的区域的交集区域所划分出来错层位负煤柱采煤法采空区氧化自燃带范围分布。本文得到工程背景下采空区遗煤氧化自燃带范围在沿采空区倾向上是不对称的,且在进风侧的氧化带宽度要大于在回风侧(起坡段侧)的宽度。6、最后,本文结合错层位采煤法在镇城底矿实际应用时的巷道布置、工作面回采率、对漏风自然发火防治措施的分析,现场实地实测液压支架受力及运行状态、动态观测与采集采空区自燃指标气体数据,研究分析得到主要结论如下:(1)错层位负煤柱巷道布置可将工作面端头与区段平巷上方的顶煤采出,连同节省的区段煤柱,可提高回采率10%以上,并取得了可观的经济效益;由于没有了巷道顶煤和端头松散垮落的浮煤,将从根本上遏制传统放顶煤的巷道顶煤、工作面端头和相邻采空区的煤炭自燃,提出以提高回采率取消浮煤为防治自然发火根本前提的理念,本论文实现了通过改变巷道布置既提高了工作面回采率,又取消了浮煤实现了在易燃煤层防治自然发火。(2)现场实测工作面矿山压力特点发现,就工作面液压支架的工作阻力而言,从高到低依次为中部、下部、上部,支架上的工作阻力均没有超过其额定值。此现场实测结果侧面验证了错层位采煤法采空区冒落带的孔隙率分布不再是一般传统上对称的“铲子”状态,而是呈现出一种沿着三角煤柱一边低于采空区另一边的不对称空间分布规律。(3)在针对综放采空区多组分气体展开观测实验之后,获取了其内部的相关数据信息,并对其加以整体性剖析,得到气体组分和温度数据相应的立体云图和等值线图。从而使得错层位采空区隐蔽空间气体流场、温度场的改变排列规律及采空区自然发火规律的探究活动得以深度开展。(4)在错层位负煤柱布置采煤法的立体化系统中,工作面端头与相邻采空区不再留有垮落浮煤,只有少量的三角形实体煤损,使着火问题得到了根本性的好转,形成了以消除松散浮煤为基础的综合防治火技术。而在镇城底矿2#煤层多年实际应用生产中,没有发生过漏风自燃、巷道顶煤着火等自然发火问题。论文取得了如下创新点:1、分析了采空区垮落覆岩孔隙率的三维空间分布规律,推导出计算采空区垮落带岩层和离层带岩层孔隙率的公式,并对公式进行了试用性验算:2、按照传统的坐标系和原点位置,定义巷道左下帮位置坐标值为所留煤柱长度值,因此引出“负煤柱”的概念,突破与丰富了现有矿压分区理论;且在此新表述分区系统下,也利于准确便利地计算采区斜长,较之前分层采中内错一巷、内错半巷等表述更加准确形象。3、借助理论力学、塑性力学及岩体力学等力学理论,对错层位采煤法覆岩几种基本顶支撑条件求解得到其弯矩峰值和断裂步距分布;并对其三角煤柱区域塑性区最大发展深度计算公式修正如下:分析错层位采煤法围岩大、小结构形成及稳定性,得到接续工作面侧三角煤柱曲边上垂直应力计算公式:4、基于本文有关章节对错层位采煤法工作面矿山压力显现特点分析,提出其采空区冒落带的煤柱起坡段侧孔隙率值低于采空区另一侧及传统放顶煤相应位置的孔隙率值,而在采空区空间呈现出一种不对称分布的新变化。并通过实验室相似模拟、计算机数值模拟和现场实测等方法进行了验证,完善了错层位负煤柱布置采空区孔隙率变化研究,为其今后自然发火防治研究方面更好、更全面的发展提供参考。