【摘 要】
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我国的绿色煤炭资源总量约占煤炭预测总储量的10%,且煤炭资源的回收率相对较低,面对复杂的开采条件,每年全国煤矿所发生的顶板安全事故起数常年占据各类安全事故之首,工作面顶板安全问题依然较为严峻,而分岔煤层或近距离煤层下行开采时,下分层再生顶板的安全问题较单一煤层开采更加复杂,如何确保下位煤层回采过程中再生顶板的安全,是分岔煤层或近距离煤层回采所面临的主要难题。针对分岔煤层下分层回采诱发再生顶板冒漏、
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我国的绿色煤炭资源总量约占煤炭预测总储量的10%,且煤炭资源的回收率相对较低,面对复杂的开采条件,每年全国煤矿所发生的顶板安全事故起数常年占据各类安全事故之首,工作面顶板安全问题依然较为严峻,而分岔煤层或近距离煤层下行开采时,下分层再生顶板的安全问题较单一煤层开采更加复杂,如何确保下位煤层回采过程中再生顶板的安全,是分岔煤层或近距离煤层回采所面临的主要难题。针对分岔煤层下分层回采诱发再生顶板冒漏、煤壁片帮,顶板难以管理的问题,以淮北矿业集团许疃煤矿7煤组分岔、合并煤层开采为工程背景,综合运用数理统计、理论分析、相似模拟、数值模拟、室内试验、现场测试等研究手段,在分析许疃煤矿7煤层（组）分岔合并特征的基础上,系统研究了下分层再生顶板结构特征及其空隙性,对其再生顶板稳定性进行了评价,获得了再生顶板地面钻孔注浆改造参数,并应用于许疃煤矿再生顶板地面钻孔注浆改造工程中,对再生顶板地面钻孔注浆改造的效果进行了评价,为分岔煤层或近距离煤层破碎不稳定再生顶板改造提供了科学依据,为下分层安全回采提供了可靠保障,取得了以下研究成果和结论:（1）厘定了许疃煤矿7煤层（组）的分岔、合并界限,在此基础上系统的研究了许疃煤矿7煤层（组）的分岔、合并特征及顶、底板岩性厚度分布特征,揭示了7煤层（组）的空间展布形态,以许疃煤矿典型的分岔、合并煤层开采工作面为工程地质背景,建立了含断裂构造的分岔煤层地质模型。（2）基于分岔煤层地质模型,构建了分岔煤层采场数值模拟、相似模拟模型,研究了上分层采动效应及再生顶板的岩体结构特征,并对再生顶板岩体结构进行了现场探查。针对分岔煤层特殊的层间厚度渐变特征,揭示了再生顶板岩体结构组合特征的受控机制,主控因素为上分层底板的临界破坏深度及夹层厚度,并以此建立了垮落带直覆型、底板破坏带直覆型、底板损伤带直覆型三种再生顶板岩体结构组合模型,当夹层厚度小于底板临界破坏深度时,再生顶板的稳定性较差,提出了采用地面钻孔注浆方式对不稳定破碎再生顶板进行改造的治理措施。（3）对上分层采动后围岩各破坏带岩体位移、应力、压实程度进行综合分析,刻画了再生顶板岩体空隙空间演化及分区特征,并考虑构造的影响,将再生顶板划为三带十区,分别为:底板破坏带卸压膨胀区（Ⅰ-1）、底板破坏带膨胀岩体承压区（Ⅰ-2）、底板破坏带膨胀岩体重新压实区（Ⅰ-3）、垮落带自由堆积区（Ⅱ-1）、垮落带载荷影响区（Ⅱ-2）、垮落带重新压实区（Ⅱ-3）、裂隙带离层裂隙区（Ⅲ-1）、裂隙带中上部重新压实区（Ⅲ-2）、裂隙带中下部重新压实区（Ⅲ-3）、构造影响区（Ⅲ-4）,通过对钻孔冲洗液漏失特征的分析,进一步验证了再生顶板岩体空隙发育分区的合理性。基于理论计算、数值模拟、相似模拟等方法,对再生顶板各分区岩体进行了空隙率定量计算与空隙发育程度评价。（4）系统确定了再生顶板地面钻孔注浆改造基本参数,在垮落带直覆型、底板破坏带直覆型再生顶板中分别构建了浆液的扩散模型。基于再生顶板的稳定性研究,确定了再生顶板注浆加固层段。通过浆液配比试验,获得了水泥-粉煤灰浆液的最优配比区间。依据各破坏带岩体空隙率的计算结果,进行了浆液在不同空隙率岩体、不同注浆压力等条件下的扩散半径数值模拟研究,厘定了再生顶板各分区岩体的注浆压力、浆液扩散半径及浆液配比。针对注浆层段的不同,构建了“扁圆柱体”、“蒙古包”、“碗状”、“陀螺”形态浆液扩散模型,并给出了各浆液扩散模型注浆量的计算公式,优化了地面注浆钻孔的成孔工艺。（5）以许疃煤矿7228、72210工作面为工程应用研究示范,实施再生顶板地面注浆改造工程。基于构建的浆液扩散模型,设计了注浆层段及注浆钻孔位置,并对注浆量进行了预估。通过对钻孔冲洗液漏失特征的分析,进一步验证了岩体结构划分、岩体空隙发育分区的合理性。基于注浆量、井下揭露注浆情况及现场监测资料,分析了注浆工程的实施效果,对比研究了地面注浆、井下注浆、未注浆工作面顶板及巷道的改造效果,结果表明:地面注浆对工作面顶板及巷道的改造效果优于井下注浆工作面、未注浆工作面,地面注浆有效解决了再生顶板冒漏、煤壁片帮、巷道严重变形等关键问题,降低了再生顶板的管理难度,从而保障了分岔煤层下分层的安全、高效回采。图[166]表[44]参考文献[271]
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