金凤矿倾斜厚煤层切顶成巷围岩结构特征及矿压规律研究

来源 :中国矿业大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:andrew2011
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我国是煤炭消费大国,煤炭作为主要能源供体是国民经济发展的重要支撑。目前,在我国一次能源消费结构中,煤炭消费占比仍居首位,且预计在未来数十年,煤炭仍是我国能源需求的主要供体。随着煤炭资源不断开采,储量日趋减少,传统留设煤柱开采方式造成的资源浪费问题亟需解决,无煤柱开采成为未来煤炭资源开采的发展方向,切顶成巷无煤柱开采技术作为新兴的高效、安全的新型无煤柱开采方法,应用越来越为广泛。且随着浅埋煤炭资源的消耗,部分矿区已经进入深部或复杂地质条件下的煤层开采,其中倾斜煤层资源占据较大比重,在倾斜煤层中运用切顶成巷无煤柱开采技术,既符合煤炭资源可持续发展战略方向,同时也可解决倾斜煤层开采中的动力灾害等系列问题,为探究倾斜厚煤层切顶成巷无煤柱开采时,切顶成巷围结构特征、采场应力演化及矿压显现规律,同时为类似地质条件矿井提供借鉴。本文以宁夏银川金凤煤矿切顶成巷为工程背景,运用理论分析、数值模拟等研究方法,结合室内岩石力学实验、现场试验等多种手段,对金凤煤矿倾斜厚煤层切顶成巷围岩结构特征、采场覆岩应力演化、切顶成巷关键参数及现场矿压显现规律进行了系统研究分析,主要研究内容如下:(1)首先对切顶成巷技术原理及关键技术做出了详细介绍,并对恒阻大变形锚索支护及双向聚能定向爆破技术作用机理进行了分析,然后对多种切顶成巷围岩控制技术进行了归纳,提出了适用于保证倾斜厚煤层切顶成巷围岩稳定的多方位控制体系。(2)针对倾斜厚煤层切顶成巷围岩结构特征及稳定性进行了力学分析,得出倾斜厚煤层切顶成巷无煤柱采场基本顶初次破断时,其内部挠曲呈现非对称分布现象,挠曲最大位置处于采场中上部,基本顶首次拉伸式断裂位置处于沿倾向方向的前方煤壁及开切眼后方煤壁中上部;倾斜厚煤层切顶卸压无煤柱采场基本顶在工作面下部及中上部断裂跨距不同,基本顶断裂形式,出现下部开口较大,上部开口较小的非规则“o-x”形周期破断。(3)建立了倾斜厚煤层切顶成巷围岩结构力学模型,提出了切顶成巷顶板三种失稳模式,并给出对应的失稳条件,并通过理论分析得出了切顶成巷实体煤侧塑性区煤岩层层间界面应力表达式、塑性区宽度及实体煤帮的变形量,求得了采场下部采空区矸石垫层长度,并依据动量定理可知,得出切顶成巷的侧向支护体系的冲击力,通过对切顶成巷围岩环境做出系统详细的分析,为关键参数的选取提供理论支撑。(4)运用数值模拟软件对倾斜厚煤层切顶成巷无煤柱采场覆岩应力场演化规律及垮落特征进行了分析,得出倾斜厚煤层切顶成巷无煤柱开采工作面推进过程中,沿工作面走向方向上,形成以工作面前后方煤壁为拱脚,以推进距离中部为最高点的应力拱。沿工作面倾向方向形成拱脚在工作面两侧煤壁,拱顶位于工作面中上部的非对称应力拱。(5)通过模拟不同煤层倾角切顶成巷无煤柱开采,分析了倾角变化对采场应力场分布的影响,得出三种煤层倾角工作面中及上部的超前工作面应力集中系数呈现出煤层倾角越小,应力集中系数越小的规律,工作面下部呈现煤层倾角最大时应力集中系数最小的现象;三种煤层倾角切顶成巷无煤柱开采在工作面前方应力集中系数与煤层倾角的大小成反比,且呈现出煤层倾角越大,应力集中位置距离切顶成巷越远的分布特征。三种煤层倾角工作面后方侧向压力应力集中系数大小为:煤层倾角15°>煤层倾角30°>煤层倾角45°,且采场顶板岩层中的应力释放区呈现出明显的非对称性,并且倾角越大,非对称性表现越明显;倾斜煤层切顶成巷无煤柱开采采场覆岩冒落拱呈非对称状态,拱顶最高位置位于工作面中上部,冒落拱上部为裂隙发育带;水平煤层切顶成巷无煤柱开采采场冒落拱发育完成后,拱顶最高位置位于工作面中部,呈现出左右对称状态。(6)通过岩石力学参数试验,测试得出金凤煤矿011810工作面运输巷顶板岩石力学参数,依据现场地质钻孔及巷道岩性探测孔对顶板岩性进行了详细探查并依据结果进行了设计分区;随后依据岩石力学参数,运用理论计算分析与数值模拟相结合的方法,进行了不同分区的顶板切缝高度及深度的确定;通过理论计算对倾斜厚煤层切顶成巷顶板恒阻锚索支护参数进行了确定,最后科学给出了切顶成巷围岩维护各项支护参数。(7)通过对现场实测矿压数据进行分析,得出倾斜厚煤层切顶成巷实施过程中采场矿压显现特征及切顶成巷围岩变形及应力变化规律,切顶卸压自动成巷无煤柱开采采场矿压呈现非对称来压现象,工作面中上部区域>工作面中部>工作面上部>工作面下部。工作面两端头位置相比于工作面中部区域,其来压强度及周期来压步距都有变化,工作面中部区域整体来压强度最大,且来压步距偏小,两端头位置周期来压步距偏大;倾斜煤层切顶成巷顶底板变形呈现非对称变形,实体煤侧顶板下沉量小于碎石帮侧顶板下沉量;恒阻大变形锚索受力变化分为三个区域,不同区域内的应力增幅有所不同;切顶成巷临时支护区内液压单体压力变化规律及侧向压力变化趋势与成巷受动压影响距离密切相关。
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