摘 要
保德煤矿三盘区受大范围冲刷带侵蚀,冲刷带作为一种工作面回采过程中较为常见的地质异常体,严重影响工作面的安全回采.一方面冲刷带对煤层的侵蚀使可采资源量减少,同时冲刷带岩性为硬度较大的砂岩或砾岩,割冲刷带时易损坏采煤设备;另一方面冲刷带侵蚀区域顶板岩性变化大,不利于巷道支护,易导致顶板事故的发生.为掌握冲刷带侵蚀煤层回采过程中矿压显现特征,本文以神东保德煤矿 81308 工作面为研究背景,基于矿井和工作面地质赋存条件及开采参数,综合运用理论计算、相似模拟、数值模拟手段,对冲刷带侵蚀煤层综放开采采动应力-裂隙演化特征进行研究.
首先,通过现场调研获得保德矿三盘区冲刷带侵蚀特点、81308 工作面开采参数及煤岩体力学参数,为理论分析、相似模拟和数值模拟试验提供数据支撑.
其次,建立冲刷带影响下采场矿压力学模型,对冲刷带侵蚀下工作面裂隙带发育、顶板破断及支架载荷特点进行理论分析发现:冲刷带侵蚀煤层后采高降低、直接顶厚度增加,采场两带发育高度降低;冲刷段顶板破断后形成砌体梁结构,非冲刷段顶板破断后在煤壁后方形成短悬臂梁结构;为保证覆岩结构的稳定性,冲刷段需提供 9437~10558kN 支撑力,非冲刷段需提供 10859~12108kN 支撑力.
再次,建立相似模拟模型及 FLAC、UDEC 数值模拟模型,探究冲刷带侵蚀对覆岩破断运移、裂隙发育及应力分布特征的影响.研究发现:(1)冲刷段煤层受冲刷带侵蚀影响采高降低,同时直接顶较厚、垮落矸石充填程度高,基本顶岩层断裂后,破断岩块能形成稳定的砌体梁结构;非冲刷段回采时,采高较大,直接顶板垮落后离层空间大,基本顶出现整体滑落失稳,煤壁后方形成短悬臂梁结构,基本顶破断后工作面来压剧烈.(2)冲刷段回采时,采场应力呈对称拱形分布;回采至非冲刷段时,采场应力呈非对称拱形分布,冲刷段拱高低于非冲刷段.冲刷段煤层垂直应力峰值位置同煤壁距离要小于非冲刷段.(3)由于冲刷带侵蚀对工作面采高的影响,冲刷段裂隙带发育高度低于非冲刷段.
最后,基于上述研究结果,结合 81308 工作面冲刷带侵蚀特点,综合分析冲刷带对工作面回采的影响,并针对性地提出过冲刷带的措施.研究结果对冲刷带侵蚀煤层开采及围岩控制具有一定的借鉴意义.
关键词:冲刷带;采动应力分布;裂隙发育;支架载荷;
Abstract
The third panel area of Baode Coal Mine is eroded by a wide range of erosionzone, which is a common geological abnormal body in the process of working facestoping and seriously affects the safe stoping of working face.On the one hand, theerosion of the erosion zone on the coal seam reduces the amount of recoverableresources. And the rock of the erosion zone is sandstone or conglomerate with highhardness.It is easy to damage coal mining equipment when cutting erosion zone.On theother hand, the change of roof lithology is unfavorable to roadway support,which iseasy to lead to roof accidents. In order to master the characteristics of mine pressure inthe process of erosion coal seam mining, the 81308 working face Shendong BaodeCoal Mine was taken as the research background, based on the geological occurrenceconditions and mining parameters of the mine and working face. By means oftheoretical analysis, similarity simulation and numerical simulation, the evolutioncharacteristics of mining-induced stress and fracture of coal seam with erosion zone infully mechanized caving mining were studied.
First of all, the erosion characteristics of the erosion zone in third panel area ofBaode Coal Mine, the mining parameters of 81308 working face and the mechanicalparameters of coal and rock mass were obtained through field investigation, whichprovided data support for theoretical analysis, similarity simulation and numericalsimulation tests.
Secondly, the stope pressure model under the influence of erosion zone wasestablished, and the development of fracture zone, roof fracture and support loadcharacteristics of the working face under erosion zone were analyzed theoretically. It isfound that after the erosion zone erodes the coal seam, the mining height decreases, thedirect roof thickness increases, the development height of two belts in the stopedecreases. The beam structure was formed after the roof of the erosion section wasbroken, and the short cantilever beam structure was formed behind the coal wall afterthe roof of the non-erosion section was broken. In order to ensure the stability ofoverlying rock structure, the erosion section needs to provide support of 9437~10558kN, while the non- erosion section needs to provide support of10859~12108kN.
Thirdly, the similar simulation model and the FLAC and UDEC numericalsimulation models were established to explore the influence of erosion on overburdenrock breaking, fracture development and stress distribution characteristics. The studyfound that :(1) The coal seam in the erosion section is affected by the erosion oferosion zone to reduce the mining height. Meanwhile, the direct roof thickness is largeand the goaf filling degree is high. The beam structure is formed after the basic roofrock breaks in the erosion section, and the roof structure is relatively stable. During themining in the non-erosion section, with large mining height and large separation spaceafter direct roof collapse, the roof slides down and becomes unstable as a whole, theshort cantilever beam structure is formed behind the coal wall, and the working faceshows strong mine pressure. (2) The stress of stope is symmetrically arched when theerosion zone is mined. When the stope reaches the non-erosion section, the stope stresspresents asymmetric arch distribution, and the arch height in the erosion section islower than that in the non-erosion section. The distance between the position ofvertical stress peak and coal wall in the erosion section is smaller than that in the nonerosion section. (3) The development height of the erosion area fracture zone is lowerthan that of the non- erosion zone because of the influence of erosion zone on theworking face.
Finally, based on the above research results, combined with the erosioncharacteristics of the erosion zone of 81308 working face, the influence of the erosionzone on the mining of working face was analyzed, and the measures of passing erosionzone were proposed. The results of this study can be used for reference to the miningof erosion coal seam and the control of surrounding rock.
KeyWords:Erosion zone;Distribution of mining stress;Fissure development; Support load
目 录
摘 要 ............................................................................................................................... I
Abstract .......................................................................................................................... III
1 绪论 ............................................................................................................................ 1
1.1 研究背景和意义 .............................................................................................. 1
1.1.1 研究背景 ................................................................................................ 1
1.1.2 研究意义 ................................................................................................ 2
1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 2
1.2.1 围岩采动应力及覆岩破断研究现状 .................................................... 2
1.2.2 冲刷带侵蚀煤层开采研究现状 ............................................................ 3
1.2.3 构造侵蚀煤层开采研究现状 ................................................................ 5
1.2.4 存在的问题 ............................................................................................ 6
1.3 研究内容及技术路线 ...................................................................................... 6
1.3.1 研究内容 ................................................................................................ 6
1.3.2 技术路线 ................................................................................................ 7
2 工程地质概况 ............................................................................................................ 9
2.1 煤层概况 .......................................................................................................... 9
2.2 岩层力学参数 ................................................................................................ 10
2.3 81308 工作面开采参数 ................................................................................. 10
2.4 本章小结 ........................................................................................................ 11
3 冲刷带对工作面矿压影响的理论分析 .................................................................. 13
3.1 冲刷带对裂隙带发育的影响 ........................................................................ 13
3.1.1 冲刷带侵蚀对采场裂隙发育的影响 .................................................. 13
3.1.2 冲刷带影响下两带发育高度理论分析 .............................................. 13
3.2 冲刷带对采场覆岩结构的影响 .................................................................... 15
3.3 冲刷带对支架载荷的影响 ............................................................................ 17
3.4 本章小结 ........................................................................................................ 20
4 冲刷带侵蚀煤层开采矿压显现特征相似模拟研究 .............................................. 21
4.1 相似模拟介绍 ................................................................................................ 21
4.1.1 相似比参数确定 .................................................................................. 21
4.1.2 模拟平台的选择及模型尺寸设计 ....................................................... 22
4.1.3 相似材料选择及用量计算 ................................................................... 22
4.1.4 模型观测方案 ....................................................................................... 23
4.1.5 加载系统及外载荷设计 ....................................................................... 25
4.1.6 模型制作 ............................................................................................... 26
4.2 位移场演化特征分析 ..................................................................................... 28
4.3 裂隙场演化特征分析 ..................................................................................... 31
4.4 应力场演化特征分析 ..................................................................................... 36
4.5 本章小结 ......................................................................................................... 37
5 冲刷带侵蚀煤层采动应力-裂隙演化特征数值模拟 ............................................. 39
5.1 模拟软件介绍 ................................................................................................. 39
5.2 模型构建 ......................................................................................................... 39
5.3 采动应力演化特征 ......................................................................................... 41
5.3.1 沿工作面走向应力演化特征 ............................................................... 41
5.3.2 冲刷带对采场应力演化的影响 ........................................................... 45
5.4 采动裂隙演化特征 ......................................................................................... 45
5.4.1 冲刷带侵蚀下采动裂隙演化特征 ....................................................... 45
5.4.2 无冲刷带侵蚀下采动裂隙演化特征 ................................................... 47
5.4.3 冲刷带对采动裂隙演化的影响 ........................................................... 49
5.5 本章小结 ......................................................................................................... 50
6 冲刷带对工作面回采影响及应对措施 ................................................................... 51
6.1 冲刷带对工作面回采的影响 ......................................................................... 51
6.2 工作面过冲刷带措施 ..................................................................................... 52
6.2.1 调整工作面采高 ................................................................................... 52
6.2.2 水力压裂 ............................................................................................... 52
6.2.3 补强支护 ............................................................................................... 56
6.3 工程实践验证 ................................................................................................. 60
6.3.1 未治理前 81308 工作面回顺矿压显现情况 ....................................... 60
6.3.2 治理后 81308 工作面回顺矿压显现情况 ........................................... 60
6.4 本章小结 ......................................................................................................... 62
7 结 论 ....................................................................................................................... 65
7.1 主要结论 ........................................................................................................ 65
7.2 研究不足及展望 ............................................................................................ 66
参考文献 ........................................................................................................................ 67
致谢 ................................................................................................................................ 73
作者简介及读研期间主要科研成果 ............................................................................ 75
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
随着我国经济的迅猛发展,对能源的需求量逐年上升,煤炭作为我国的主体能源受到大规模高强度开采,在支撑经济发展所需能源的同时,高强度开采下,煤层开采深度以 10~15m/a 的速度向深部延伸,浅埋深煤层即将开采殆尽,深部煤层即将成为煤炭主采资源[1-6].相比浅埋深煤层,深部煤层内部赋存的地质构造较为复杂,受煤层赋存的地质构造影响易诱发煤与瓦斯突出、水害、顶板事故等矿井灾害,给矿井生产带来愈加严峻的安全问题及技术难题,造成上述问题的构造类型包括断层、岩浆岩侵入带、古河流冲刷带等[7-18].
冲刷带是一种工作面回采过程中比较常见的地质异常体,由于冲刷带岩性一般为硬度较高的粗砂岩或砾岩,冲刷带的侵蚀作用造成煤层顶板岩性波动大,不利于围岩控制,易导致顶板事故的发生,严重影响生产;冲刷带侵蚀煤层综放工作面回采过程中,冲刷带对煤层的侵蚀会导致煤层厚度异常,进而引起工作面采高发生变化,影响工作面的矿压显现特征;冲刷带侵蚀区域煤层顶板强度较大,不易破断,顶板易形成大面积悬露诱发强矿压显现,亦容易产生导水裂隙,形成瓦斯、水和风流的运移通道,进而对瓦斯、水和煤自燃等的防治产生影响.
关于冲刷带侵蚀对生产的影响这一问题已经取得了一部分成果,然而大都是过冲刷带的回采工艺、支护技术,防倒架措施等,关于冲刷带侵蚀煤层开采的矿压显现特征及工作面围岩控制方面仍缺乏系统研究,现场在制定过冲刷带措施时仅凭借经验,缺乏理论依据[45-54].为解决冲刷带侵蚀煤层开采矿压控制问题,有必要深入系统研究冲刷带侵蚀对工作面回采和矿压控制的影响,构建适用于保德煤矿开采特点的冲刷带侵蚀煤层开采工程地质模型,深入分析冲刷带侵蚀对煤层开采矿压显现特征影响的作用机制,为冲刷带侵蚀煤层的安全开采提供理论参考.
本论文来源于神华集团神东煤炭公司横向项目《神东矿区深部开采灾害预测与防控基础研究及关键技术》,基于保德煤矿三盘区 81308 工作面工程现状开展研究.保德矿三盘区冲刷带侵蚀范围大,井田内最大宽度可达 2895m,冲刷体岩性以强度较高的粗砂岩为主.由于在之前的勘探过程中对三盘区的勘探程度偏低,未能揭露冲刷构造,同时冲刷带侵蚀范围较大,降低煤厚,影响煤质、阻碍回采进度、降低产量.81308 工作面开切眼侧至工作面中段 1624m 处探测发现煤层受古河流冲刷带侵蚀,受冲刷带侵蚀影响煤层变薄、厚度变化大,同时煤层夹矸多、结构复杂,难以对比层位.为掌握冲刷带侵蚀煤层开采矿压显现特征,基于保德煤矿 81308 工作面赋存条件和开采参数,分析冲刷带侵蚀煤层开采采动应力-裂隙在时间和空间上的演化特征,探究冲刷带构造对采动应力-裂隙演化特征的作用机制,为保德煤矿及具有类似地质条件的矿井在冲刷带侵蚀煤层回采过程中的围岩控制提供理论参考,保障矿井在过冲刷带回采过程中的安全生产.
1.1.2 研究意义
本论文拟结合保德煤矿 81308 工作面开采参数与煤层受冲刷带侵蚀特征,构建保德煤矿冲刷带侵蚀煤层综放开采采动应力-裂隙演化理论模型.根据该工作面煤岩物理力学参数,开展冲刷带侵蚀煤层回采的相似材料模拟试验、冲刷带侵蚀煤层回采的数值模拟计算.通过改变工作面回采参数,模拟冲刷段及非冲刷段煤层开采过程,研究冲刷带侵蚀对煤层开采的影响.根据试验结果,分析冲刷带侵蚀煤层综放工作采动应力-裂隙演化特征及冲刷带侵蚀影响下围岩力学特征的变化,掌握冲刷带侵蚀煤层综放工作面开采矿压特点,揭示冲刷带侵蚀对采动应力-裂隙演化的作用机制及对工作面安全回采的影响.研究将为保德煤矿冲刷带侵蚀煤层综放开采工作面的围岩控制提供理论依据及技术支持,为工作面回采至冲刷带影响区域时遇到的问题提供指导和借鉴,以降低冲刷带侵蚀对工作面安全回采的影响.
1.2 国内外研究现状
1.2.1 围岩采动应力及覆岩破断研究现状
钱鸣高等[18-19]研究发现煤层回采过后覆岩的裂隙带发育特征可分为两阶段,覆岩破断结构最终呈"O"形圈形式分布.还研究发现覆岩的破断运移受关键层控制影响,并基于此提出了关键层理论,揭露煤层开采后采场煤岩体呈现出的破断运移规律,系统地对覆岩运移、采动应力分布、开采沉陷等方面展开了研究,为深入探究矿压控制理论奠定了基础.其研究发现工作面开采后采场上部中会产生两大类裂隙:一种是岩层间的离层裂隙,其成因为岩层间的非同步运移,离层裂隙的出现使得煤层能够膨胀变形,瓦斯压力得以释放;另一类是岩层破断后产生的纵向裂隙,覆岩出现断裂后,岩层内形成纵向贯穿裂隙,层间裂隙贯穿为煤岩层间瓦斯与水的移动提供通道.
宋振骐等[20]基于大量的现场实测数据,构建了实用矿压理论体系,得出了采动支承压力与覆岩运移间的关联.
谢广祥等[21-30]基于对大量现场所得数据的分析研究,对已有的研究成果进行分析整合,发现了采场上覆采动空间存在由高应力束构成的宏观应力壳结构,同时掌握了其关键的力学特征,通过对应力壳做深入探究,得出深部煤层长壁开采工作面采场应力壳演化力学模型,开展柱宽、采厚等因素对采场围岩力学特征作用机制的研究,揭露采动应力、裂隙的动态演化过程.
姜福兴等[31-32]通过力学手段分析了在工作面不同回采阶段采场应力同覆岩破断的动态关系.
郝海金[33]基于实验手段对综放工作面采场应力分布特征进行研究,并且结合球壳理论针对大采高工作面构建了覆岩结构力学模型,并论述了其关键力学特点及形态特点.
史元伟[34]将覆岩简化为存在弹性差异地基上的弹性板(梁),结合文克尔假设对岩板(梁)所受到的地基上的反力进行计算,研究出解析估算法计算工作面侧向及超前支承压力.
Palchik V 等[35]认为长壁采煤工作面采场上方覆岩内具有三个特点各异的移动区域.
林海飞等[36]结合采动裂隙"O"形圈理论,通过相似模拟手段,再现"采动裂隙圆角矩形梯台带"煤层开采情况,研究得出裂隙带的发育范围、形态等关键参数.
刘天泉等[37-39]对于煤层开采导致的覆岩破断及导水裂隙带的发育开展了大量现场测试及理论分析工作,通过分析煤层开采后覆层破断及裂隙发育特点,对"横三区"、"竖三带"有了整体认知,对底板岩层的变形及裂隙发育特点有了"下三带"整体认知.
1.2.2 冲刷带侵蚀煤层开采研究现状
煤田经常会受各种地质异常体侵蚀,包括岩浆岩侵蚀、岩溶陷落柱及冲刷带侵蚀等,对综采工作面的安全回采产生不利影响.构造的存在会使得煤层厚度、倾角、顶板岩性发生变化,冲刷带作为一种常见的地质构造,因为冲刷带区域岩石硬度较大(砂岩或砾岩),易诱发冒顶,威胁矿工生命安全.现有的对煤层冲刷带回采矿压显现特征及工作面围岩控制方面的研究较少,多为煤矿基层人员基于工程现状给出的过冲刷带措施,缺乏系统理论研究.
王宇林[40]提出了新的分类方案对煤层冲刷带进行了分类及命名,阐述不同种类煤层冲刷带的特点,同时讲述了煤层顶(底)板砂体等厚图在进行煤层冲刷带预测时的重要作用及预测用法.
卢新伟[41]针对现场赋存特征,基于"支架-围岩"相互关系,研究压架的力学机理,探究地质因素在压架事故的影响机制,提出综放工作面围岩-支架稳定性力学模型,结果表明工作面上覆基岩厚度变异因素是致使支架被压死的关键原因.
迟国铭[42]针对补连塔煤矿工作面巷掘进期间揭露冲刷带问题开展了研究,探测冲刷带方位,并基于现场实际制定工作面的布置形式及生产方式.其成果可有效节约生产成本,减小安全风险,同时提升了资源回收率.
王有栓[43]以保德煤矿 81112 综采面为研究对象,对如何在过冲刷带过程中支架防倒开展了研究,探究煤层开采过程中冲刷带构造影响、设备老化、配套不统一等因素诱发局部冒顶、大面积倒架事故的作用机制,针对性得提出了顶板管理措施.
王存飞[44]基于补连塔煤矿 12520 大采高综采工作面开采参数,对于工作面过大断面冲刷带遇到的问题进行研究,综合阐述了如何探测工作面区域内冲刷带.结合探测结果设计工作面过冲刷带的措施,提出了工作面过冲刷带的关键技术,研究了工作面过冲刷带期间的矿压特征,对于地质条件相似的综采工作面过冲刷带具有一定的参考意义.
王福平[45]结合大同云冈矿赋存禀赋,探究构造影响区域支架更换问题.超前探测冲刷带走向,分析矿压与支架损坏之间的关联,针对性提出"刀把子"运输巷过构造替换支架方法,并同"梭形搬家切巷"方式进行了对比,同时对切巷联合支护、支架更换工艺和切巷技术做了详细阐述.
管永伟[46]以新景矿芦南二区为研究对象,开展煤层的地震响应规律的研究,结果表明冲刷带侵蚀能显著影响振幅和相位属性.研究发现冲刷带侵蚀作用会对瓦斯地质条件差异性产生关键影响,需重点关注过渡区段防突工作.
刘江明[47]基于神东矿区煤层禀赋、巷道掘进工艺、支护设计,提出了掘进工作面如何应对断层及不良地质体的措施,对于有相似地质条件的巷道掘进过不良地质体具有参考意义.
彭可平[48]针对大巷过煤层冲刷带时出现围岩软弱破碎、顶板沙化问题进行了研究.由于原先的锚网索支护方式不能保障巷道围岩的稳定,设计了高强度钢管混凝土支架支护技术方案,并通过数值模拟对比了两种支护方案下的巷道稳定性.
刘宪正[49]对于综采工作面过冲刷带的方式进行了归纳总结,同时对影响选择综采工作面过冲刷带方式的因素进行了分析,论述了综采工作面怎样合理选择过冲刷带构造的方式,并通过现场实践验证了研究结论.
1.2.3 构造侵蚀煤层开采研究现状
杨培举[50]采用多种手段研究工作面上覆巨厚岩浆岩的变形破坏特点及在其作用下的采场围岩应力分布特征,分析巨厚坚硬顶板诱发采场矿压事故的力学机理与事故类型,同时根据巨厚岩浆岩与煤层间距提出两种理论计算模型确定岩层破断与破断步距.
刘文生[51]构建两种采动作用下的火成岩断裂力学模型,给出采动作用下的火成岩初次破断和周期破断的判据,给出了采空区下火成岩破断诱发地表裂缝的作用机制.并且通过现场实测佐证了其力学模型的正确性.
徐德金[52]为解决卧龙煤矿首采区的底板突水防治问题,基于首采区煤层赋存参数、底板岩性特征及灰岩水情况,利用应变软化本构模型,构建地质力学模型.通过有限元软件模拟承压水体上底板的采动效应,分析采动应力分布、覆岩移动特征.
肖江[53]针对济宁二号井深部煤层上覆巨厚岩浆岩问题进行了研究,通过相似模拟手段研究了深部煤层回采期间高位赋存岩浆岩的破断失稳机理.
蒋金泉[54]在考虑均布载荷和体积力共同作用的基础上构建力学模型研究上覆厚硬岩层的应力状态,推导出厚硬岩层破断类型的力学判据.通过相似模拟及数值模拟方式探究高位主关键层的存在对采场应力分布、裂隙及瓦斯渗流的影响,并经过现场实践证明研究结果的可靠性.
刘少虹[55]通过多种手段综合研究岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压的机制.利用三角悬臂梁力学模型,计算岩浆岩侵蚀下应力及能量分布特征,获得岩浆岩侵蚀下覆岩破断移动发生的条件.
王义然[56]探究了岩浆岩侵入作用诱发二次底板型冲击矿压的发生机制,获得底板冲击事故发生的诱因,并给出了卸压措施.
段启兵[57]基于岩浆岩侵入工作面基本顶这一地质条件,通过离散元软件模拟了不同火成岩侵入程度下的覆岩破断及应力分布特征.
刘少虹[58]为研究岩浆岩侵入区在采掘过程中冲击地压频繁这一问题,综合运用多种研究方法对岩浆岩侵入范围内巨厚煤层掘进巷道冲击地压频发的诱因进行研究.构建了巨厚煤层巷道掘进过程中岩浆岩侵蚀诱发冲击地压事故的力学模型,推演获得冲击发生判据,发现冲击地压发生机制.
赵俊[59]基于卧龙湖矿首采工作面煤层赋存特征,研究岩浆岩侵入影响下工作面回采过程中矿压显现强烈的机制.基于现场矿压观测数据,归纳整理出支柱随循环推进工况变化特征、工作面倾向压力分布情况、采动影响区域范围,提出了顶板控制措施,并通过现场实践证明了措施的可行性.
蒋雨辰[60]基于火成岩侵蚀严重的海孜井田为工程背景,通过多种手段对海孜井田火成岩侵入区域的采动应力演化规律及其对瓦斯赋存的影响,结合工作面上覆岩床层厚特点,给出分区优化布置抽采钻孔的措施.
刘玉田[61]基于大同矿区特厚煤层受岩浆岩侵入后力学性能削弱导致煤巷顶板事故频发这一工程背景,构建不同断面形式、不同侵入方位及程度、不同应力环境等共计 1700 个数值模型,探究煤巷顶板变形破坏规律.
赵通[62]基于朱仙庄煤矿厚硬顶板赋存条件,通过多种手段系统研究厚硬岩层矿压显现特征及支架-围岩关系,基于厚硬顶板地质条件提出预控制分区域顶板协同控制方法和技术.
1.2.4 存在的问题
专家学者针对神东矿区赋存特点开展了应力裂隙分布规律的研究[12-17]以及深部煤层开采采动力学特征方面的研究[1-7]并已经取得了丰富的成果,关于冲刷带侵蚀对生产的影响这一问题已经取得了一部分成果[45-54],然而大都是过冲刷带的回采工艺、支护技术,防倒架措施等,关于冲刷带侵蚀煤层开采的矿压显现特征及工作面围岩控制方面仍缺乏系统研究,现场在制定过冲刷带措施时仅凭借经验,仍缺乏系统理论指导冲刷带侵蚀煤层开采矿压显现特征及工作面围岩控制方面问题的研究.
1.3 研究内容及技术路线
1.3.1 研究内容
(1)通过现场调研收集地质资料,经过整合,初步完成保德矿 8 煤赋存参数与工作面开采参数的统计.
(2)通过理论计算,分析冲刷带侵蚀对工作面裂隙发育,岩层破断及支架载荷的影响.
(3)通过相似模拟试验及数值模拟计算,研究冲刷带侵蚀作用对工作面回采过程中采动应力-裂隙演化特征的影响.
(4)结合 81308 工作面冲刷带侵蚀特点,分析冲刷带对工作面回采的影响,提出过冲刷带的措施.
1.3.2 技术路线
本文以保德矿 81308 工作面为研究对象,基于 8 煤赋存特点及 81308 工作面开采参数,结合实验室试验、数值模拟试验、理论分析手段,系统地分析了冲刷带侵蚀煤层对工作面回采的影响,揭示冲刷带侵蚀煤层综放开采采动应力-裂隙演化特征.技术路线如图 1 所示.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
7 结论
7.1 主要结论
本文以保德矿 8 煤的煤岩层禀赋及 81308 工作面开采参数为研究背景,利用理论分析、相似模拟、数值计算等多种手段,系统地分析了冲刷带侵蚀对工作面回采的影响,揭示冲刷带侵蚀煤层综放开采采动应力-裂隙演化特征,提出工作面过冲刷带措施,研究为冲刷带侵蚀煤层综放工作面开采矿压显现及围岩控制提供借鉴和参考.
(1)通过现场调研的方式,收集获取保德煤矿 8 煤赋存特征,81308 工作面开采参数,岩层力学参数、冲刷段及非冲刷段地质特征等数据,掌握矿井岩层综合柱状及煤岩体相关物理力学参数,为继续进行数值模拟及相似模拟研究的模型构建提供了数据支撑.
(2)冲刷带侵蚀煤层后采高降低、直接顶厚度增加,采场两带发育高度降低;冲刷段顶板破断后形成砌体梁结构,非冲刷段顶板破断后在煤壁后方形成短悬臂梁结构;为保证覆岩结构的稳定性,冲刷段需提供 9437~10558kN 支撑力,非冲刷段需提供 10859~12108kN 支撑力.
(3)基于保德矿 81308 工作面条件,构建了冲刷带侵蚀煤层矿压显现演化特征的相似模拟试验模型,并对煤层回采过程中的位移、应力、裂隙分布特征进行了观测,发现冲刷段开采时关键层破断后形成砌体梁结构,来压较为平缓,采动形成的覆岩离层裂隙高度较小,开度较小;煤厚变异区及冲刷段边缘回采,由于离层空间大,悬露顶板未触矸,顶板破断后发生整体失稳,来压剧烈,采动形成的覆岩离层裂隙高度较大,开度较大.
(4)通过将工作面冲刷段与非冲刷段应力分布特征进行对比分析,发现冲刷带侵蚀会对工作面煤层超前应力数值及位置、应力拱高度、范围、拱脚及形态产生影响.冲刷带回采时,采场应力呈对称拱形分布;回采至非冲刷段时,采场应力呈非对称拱形分布,冲刷段拱高低于非冲刷段.冲刷段煤层垂直应力峰值位置同煤壁距离要小于非冲刷段.
(5)对 81308 工作面冲刷段开采模型及非冲刷段开采模型开采过程中裂隙发育情况进行分析,发现同无冲刷带侵蚀模型对比,由于采高降低,冲刷带侵蚀模型两带高度较低,垮落带和裂隙带范围较小,对导水裂隙带高度及支架工作阻力产生影响.
7.2 研究不足及展望
本文以冲刷带对工作面回采的影响为着眼点展开研究,通过多种手段对冲刷带侵蚀下工作面矿压显现特征进行研究,取得了一定的研究成果.但由于冲刷带侵蚀后煤层结构的复杂性,本文研究的内容存在局限性,需开展更多工作进行深入的研究,主要包括以下几个方面:
本文研究忽略了煤层内部含有的其他地质构造(包括节理、断层等)的影响,同时将冲刷带侵蚀煤层的围岩结构模型简化,将地质条件简单化与理想化,故研究成果存在一定的局限.
本文在研究冲刷带侵蚀对工作面采动应力、裂隙演化特征影响时,仅定性得对采动应力分布及裂隙发育进行分析,未能定量得在现场进行实测获取工作面回采过程中采动应力分布及覆岩破坏参数,为研究成果提供数据支撑.
若能将上述内容进行继续深入研究,可为冲刷带侵蚀煤层综放开采提供理论基础与技术支持,保障工作面顺利回采.
致谢
本论文是在导师杨科教授的悉心指导和严格要求下完成的,从论文选题到形成初稿,再到论文最后定稿,每处都倾注了杨老师极大的关怀与鼓励.杨老师为人谦和,知识渊博,治学严谨,对学生关怀备至又严格要求,对学生来说是难得的良师益友.在三年的研究生生活中,杨老师给予了许多的锻炼机会,让我学到了许多知识及与人相处的哲学.杨老师待人宽厚、严谨治学,为学生树立了良好的榜样,激励着我在科研道路上不断进步.在此,谨向恩师致以最诚挚的谢意,祝福恩师及家人身体健康,生活幸福!
本论文在选题、撰写过程中,得到了华心祝教授、查文华教授、成云海教授、李迎富教授、常聚才教授、张华磊教授、张向阳副教授、李志华副教授、刘钦节副教授、殷志强副教授、陈登红副教授的悉心指导和热情帮助,在此谨向他们表示最诚挚的感谢!
感谢辅导员曹宣明老师及能源与安全学院每一位老师给予我工作、生活、学习上的帮助和支持!
感谢神东保德煤矿领导及技术人员在现场试验与监测期间给予各个方面的帮助和支持!
感谢三年来与我共同学习进步的同窗好友.感谢窦礼同、刘帅、何祥、邵淑成、王纪尧、池小楼、付强、魏祯、刘文杰、任中发、吕彦伟等师兄弟在论文撰写期间给予的关心和帮助!
感谢我的亲人在我漫漫求学路上给予支持和鼓励!
感谢安徽省重点研究与开发计划项目资助(1704a0302129)、国家重点研发计划项目资助(2016YFC0801402)、神华集团神东煤炭公司横向课题《神东矿区深部开采灾害预测与防控基础研究及关键技术》对论文研究的帮助和支持!
最后,衷心感谢各位专家学者在百忙之中抽出时间对本文进行评阅及给出宝贵的指导意见.
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