论文中文题名: | 上分层遗留煤柱下斜交工作面开采覆岩结构演化规律 |
姓名: | |
学号: | 21203226085 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 矿山压力岩层控制 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
第二导师姓名: | |
论文提交日期: | 2024-06-21 |
论文答辩日期: | 2024-06-05 |
论文外文题名: | Evolution law of overlying strata structure in mining of lower oblique working face with upper layered residual coal pillar |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Ultra-thick coal seams ; layered fully mechanized mining ; support pressure ; residual coal pillars ; overlying strata structure |
论文中文摘要: |
特厚煤层分层综放开采上、下分层工作面斜交布置,下分层综放工作面间歇性过上分层遗留区段煤柱,覆岩破断运动及矿压显现规律复杂,影响下分层工作面安全开采。论文以甘肃华亭煤电股份有限公司砚北煤矿25023下综放工作面为工程背景,采用数值计算、物理相似模拟、理论分析及现场实测相结合的研究方法,分析了上分层遗留煤柱下斜交工作面围岩应力变化及覆岩变形破坏规律,得出了上分层遗留区段煤柱开采时区段煤柱及下分层工作面支承压力变化规律,揭示了综放工作面过遗留煤柱覆岩结构演变特征。主要结论如下: (1)数值计算实验上分层3个工作面开采完成后遗留2个区段煤柱最大应力峰值分别为为42.53 MPa和41.12 MPa,应力集中系数为3.24和3.35。上分层遗留区段煤柱下斜交工作面过煤柱开采过程中周期性进、出煤柱,进煤柱时下端口运输平巷最先进入煤柱,出煤柱时上端口回风平巷最后离开煤柱。在工作面进遗留区段煤柱阶段,在工作面距离煤柱45 m处时,受超前支承压力作用,运输平巷处压力峰值达到45.3 MPa,较下分层未开采时增大了13.7%;工作面出区段煤柱阶段,当工作面距离煤柱15 m处,受超前支承压力作用,回风平巷处压力峰值达到46.7 MPa,较下分层未开采时增大了9.9%。 (2)上分层遗留区段煤柱下斜交工作面过煤柱开采过程中,引起区段煤柱失稳及覆岩大尺度空间垮落,远距离的高位岩层破断后形成砌体结构,近距离的低位岩层经历了二次破断,形成“悬臂梁+砌体梁”组合结构,“悬臂梁+砌体梁”组合结构相互堆砌形成一个支撑上方岩层重力的“拱式”结构。 (3)上分层遗留区段煤柱下斜交工作面过煤柱开采过程中,覆岩垮落区域按破断形式和垮落高度划分为内、外场区域,内场中覆岩的垮落形态特征表现为“拱式”结构:随着工作面与遗留煤柱的位置变化呈现出从非对称型“双拱”型到对称型“双拱”型再到“单拱”型的周期性变化;外场覆岩破断结构体现为:随着工作面与遗留煤柱的位置变化呈现出“O-X”结构到“O-X-Y”结构的周期性变化。 (4)当工作面上、下和中部任何一处顶板存在区段煤柱时,煤柱失稳时原煤柱内的支承压力向工作面两侧转移,且区段煤柱上方岩层为首次破断,顶板破断垮落层位较低,垮落顶板堆积量较小,下方工作面支架工作阻力处于30~34 MPa之间;当顶板为采空区时,发生大量垮落顶板堆积充填现象,造成下方工作面支架工作阻力较大,处于38~42 MPa之间。现场工作面液压支架工作阻力探测数据验证了遗留区段煤柱对下分层工作面液压支架工作阻力影响情况。 |
论文外文摘要: |
The upper and lower layered working faces of fully-mechanized caving mining in extra-thick coal seams are arranged obliquely,and the lower layered fully-mechanized caving working face passes through the coal pillars left by the upper layer intermittently. The fracture movement of overlying strata and the law of mine pressure are complex,which affects the safe mining of the lower layered working face. Based on the engineering background of 25023 lower fully mechanized caving face in Yanbei Coal Mine of Gansu Huating Coal and Electricity Co.,Ltd.,this paper uses the research methods of numerical calculation,physical similarity simulation,theoretical analysis and field measurement to analyze the stress change of surrounding rock and the deformation and failure law of overlying rock in the lower oblique working face of the upper layer residual coal pillar. The variation law of the bearing pressure of the section coal pillar and the lower layer working face during the mining of the upper layer residual coal pillar is obtained,and the evolution characteristics of the overlying rock structure of the fully mechanized caving face passing through the residual coal pillar are revealed. The main conclusions are as follows: (1) In the numerical calculation experiment,the maximum stress peaks of the two section coal pillars left after the completion of the mining of the three working faces in the upper layer are 42.53 MPa and 41.12 MPa,and the stress concentration factors are 3.24 and 3.35. In the process of coal pillar mining,the lower oblique working face of coal pillar in the upper layered left section periodically enters and leaves the coal pillar. When the coal pillar enters,the lower port transportation roadway first enters the coal pillar,and when the coal pillar leaves,the upper port return airway finally leaves the coal pillar. In the stage of working face entering the remaining section coal pillar,when the working face is 45 m away from the coal pillar,the peak pressure at the transportation roadway reaches 45.3 MPa,which is 13.7 % higher than that when the lower layer is not mined ; in the section coal pillar stage of the working face,when the working face is 15 m away from the coal pillar,the pressure peak at the return air roadway reaches 46.7 MPa,which is 9.9 % higher than that when the lower layer is not mined. (2) In the process of coal pillar mining,the section coal pillar instability and the large-scale spatial caving of overlying rock are caused. The masonry structure is formed after the long-distance high rock stratum is broken,and the low rock stratum at close distance undergoes secondary breaking to form the ' cantilever beam + masonry beam ' composite structure. The ' cantilever beam + masonry beam ' composite structure is stacked with each other to form an ' arch ' structure supporting the gravity of the upper rock stratum. (3) In the process of mining the oblique working face under the coal pillar in the upper layer,the caving area of the overburden rock is divided into the inner and outer field areas according to the fracture form and the caving height. The caving morphology of the overburden rock in the inner field is characterized by the ' arch ' structure : with the change of the position of the working face and the remaining coal pillar,it shows a periodic change from the asymmetric ' double arch ' type to the symmetrical ' double arch ' type and then to the ' single arch ' type. The fracture structure of the overlying strata in the field is reflected as follows : with the change of the position of the working face and the remaining coal pillars,the periodic change from the ' O-X ' structure to the ' O-X-Y ' structure is presented. (4) When there is a section coal pillar in any roof of the upper,lower and middle parts of the working face,the abutment pressure in the original coal pillar is transferred to both sides of the working face when the coal pillar is unstable,and the rock stratum above the section coal pillar is broken for the first time. The caving layer of the roof is low,the accumulation of the caving roof is small,and the working resistance of the support in the lower working face is between 30 MPa and 34 MPa. On the contrary,when the roof is goaf,a large number of collapsed roof accumulation filling occurs,resulting in a large working resistance of the support in the lower working face,which is between 38 MPa and 42 MPa. The detection data of the working resistance of the hydraulic support in the field working face verified the influence of the remaining section coal pillar on the working resistance of the hydraulic support in the lower stratified working face. |
参考文献: |
[1] 中国矿产资源报告2022[J]. 自然资源情报, 2023, (01): 2. [2] 王家臣. 厚煤层开采理论与技术[M]. 冶金工业出版社, 2009, 19. [3] 王国法. 特厚煤层大采高综采综放适应性评价和技术原理[J]. 煤炭学报, 2018, 43(01): 33-42. [4] 于斌, 杨敬轩, 刘长友, 等. 大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理[J]. 煤炭学报, 2019, 44(11): 3295-3307. [5] 于斌, 朱卫兵, 高瑞, 等. 特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制[J]. 煤炭学报, 2016, 41(03): 571-580. [6] 于斌, 朱卫兵, 李竹, 等. 特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理[J]. 煤炭学报, 2018, 43(09): 2398-2407. [7] 窦林名, 贺虎. 煤矿覆岩空间结构O-X-F-T演化规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(03): 453-460. [8] 侯玮, 霍海鹰. “C”型覆岩空间结构采场岩层运动规律及动压致灾机理[J]. 煤炭学报, 2012, 37(S2): 269-274. [9] 侯玮, 姜福兴, 王存文, 等. 三面采空综放采场“C”型覆岩空间结构及其矿压控制[J]. 煤炭学报, 2009, 34(03): 310-314. [10] 史红, 王存文, 孔令海, 等. “S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(S2): 3508-3513. [11] 姜福兴. 采场覆岩空间结构观点及其应用研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2006, (01): 30-33. [12] 姜福兴, 杨淑华. 微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态[J]. 煤炭学报, 2003, (04): 357-360. [13] 汪华君. 四面采空采场“θ”型覆岩多层空间结构运动及控制研究[D]. 山东科技大学, 2007. [14] 马其华. 长壁采场覆岩“O”型空间结构及相关矿山压力研究[D]. 山东科技大学, 2005. [15] 娄金福. 采场覆岩破断与应力演化的梁拱二元结构及岩层特性影响机制[J]. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(04): 678-686. [16] 李振雷. 厚煤层综放开采的降载减冲原理及其工程实践[D]. 中国矿业大学, 2017. [17] 樊克松. 特厚煤层综放开采矿压显现与地表变形时空关系研究[D]. 煤炭科学研究总院, 2019. [18] 李化敏, 蒋东杰, 李东印, 等. 特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征[J]. 煤炭学报, 2014, 39(10): 1956-1960. [19] 刘全明, 于雷. 浅埋深综放采场覆岩结构对矿压显现规律的影响[J]. 煤炭科学技术, 2017, 45(03): 20-25. [20] 刘全明. 浅埋薄基岩综放面矿压显现规律的基岩厚度效应[J]. 煤矿开采, 2016, 21(03): 98-100. [21] 于雷, 闫少宏. 特厚煤层综放开采顶板运动形式及矿压规律研究[J]. 煤炭科学技术, 2015, 43(08): 40-44. [22] 赵杰. 沟谷区域浅埋特厚煤层开采覆岩破断失稳规律及控制研究[D]. 中国矿业大学, 2019. [23] 孔令海. 特厚煤层大空间综放采场覆岩运动及其来压规律研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37(05): 943-950. [24] 郭军. 火成岩层状侵入区特厚煤层综放采场覆岩结构演化及支架围岩协同作用机理[D]. 太原理工大学, 2019. [25] 范文斌, 姚邦华. 布尔台矿重复采动下突水危险性数值模拟研究[J]. 矿业安全与环保, 2011, 38(01): 4-5. [26] 曾强, 李根生, 赵龙辉, 等. 准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征[J]. 中国矿业, 2018, 27(11): 109-115. [27] 胡成林. 浅埋近距煤层重复采动覆岩裂隙演化规律[D]. 中国矿业大学, 2014. [28] 王悦汉, 邓喀中, 张冬至, 等. 重复采动条件下覆岩下沉特性的研究[J]. 煤炭学报, 1998(05): 24-29. [29] 田昌盛, 白占芳, 翟新献. 下分层综放工作面上覆岩层结构特征[J]. 河南理工大学学报, 2006(03): 191-195. [30] 柴敬, 韩志成, 乔钰, 等. 分层开采采空区下大跨度开切眼顶煤稳定性研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2022, 39(02): 282-291. [32] 孙春东, 杨本生, 刘超, 等. 1. 0 m极近距离煤层联合开采矿压规律[J]. 煤炭学报, 2011, 36(09): 1423-1428. [33] 杨敬轩, 鲁岩, 刘长友, 等. 拉压模量不同的多层顶板承载与破坏机理分析[J]. 中国矿业大学学报, 2015, 44(01): 16-23. [36] Timoshenko S, Goodier J. Theory of Elasticity, 3rd Edition[M]. Mc Graw-Hill Inc. NewYork, 1970. [40] 钱鸣高, 石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2003. [42] 王成, 杜泽生, 钱德雨, 等. 孤岛工作面沿空掘巷煤柱宽度及其加固技术研究[J]. 河南理工大学学报, 2012, 31(06): 655-659. [47] 贾后省, 王璐瑶, 刘少伟, 等. 综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制[J]. 煤炭学报, 2019, 44(04): 1030-1040. [48] 齐学元, 邓广哲, 黄康, 等. 近距离煤层房柱区煤柱底板应力传递规律[J]. 西安科技大学学报, 2021, 41(04): 649-656. [49] 冯国瑞, 朱卫兵, 李竹, 等. 浅埋深蹬空底板煤柱群动态失稳机理及防治[J]. 煤炭学报, 2022, 47(01): 200-209. [50] 王朋飞, 刘佳男, 冯国瑞, 等. 负煤柱长壁工作面底板应力分布及破坏特征[J]. 岩石力学与工程学报, 2023, 42(01): 194-211. [53] 史元伟, 郭潘强, 康立军, 等. 矿井多煤层开采围岩应力分析与设计优化[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1995. [54] 钱鸣高, 缪协兴, 黎良杰. 采场底板岩层破断规律的理论研究[J]. 岩土工程学报, 1995(06): 55-62. [55] 曹胜根, 刘文斌, 袁文波, 等. 房式采煤工作面的底板岩层应力分析[J]. 湘潭矿业学院学报, 1998(03): 16-21. [57] 张学斌. 近距离煤层群采动后底板应力分布及回采巷道布置方式研究[D]. 山东科技大学, 2011. [58] 姜鹏飞, 康红普, 张剑, 等. 近距煤层群开采在不同宽度煤柱中的传力机制[J]. 采矿与安全工程学报, 2011, 28(03): 345-349. [59] 马瑞, 来兴平, 曹建涛, 等. 浅埋近距煤层采空区覆岩移动规律相似模拟[J]. 西安科技大学学报, 2013, 33(03): 249-253. [60] 许磊, 魏海霞, 肖祯雁, 等. 煤柱下底板偏应力区域特征及案例[J]. 岩土力学, 2015, 36(02): 561-568. [61] 程志恒, 齐庆新, 李宏艳, 等. 近距离煤层群叠加开采采动应力-裂隙动态演化特征实验研究[J]. 煤炭学报, 2016, 41(02): 367-375. [62] 柴敬, 彭钰博, 马伟超, 等. 煤柱应力应变分布的光纤监测试验研究[J]. 地下空间与工程学报, 2017, 13(01): 213-219. [63] 黄庆享, 杜君武. 浅埋煤层群开采的区段煤柱应力与地表裂缝耦合控制研究[J]. 煤炭学报, 2018, 43(03): 591-598. [64] 黄庆享, 曹健, 杜君武, 等. 浅埋近距煤层开采三场演化规律与合理煤柱错距研究[J]. 煤炭学报, 2019, 44(03): 681-689. [66] 蒋力帅, 马念杰, 白浪, 等. 巷道复合顶板变形破坏特征与冒顶隐患分级[J]. 煤炭学报, 2014, 39(07): 1205-1211. [67] 王辉. 中厚多软弱夹层复合顶板巷道围岩破坏机理及支护研究[D]. 太原理工大学, 2018. [68] 刘刚, 龙景奎, 刘学强, 等. 巷道稳定的协同学原理及应用技术[J]. 煤炭学报, 2012, 37(12): 1975-1981. [69] 王辉, 杨双锁, 牛少卿, 等. 层状复合岩层巷道围岩耦合变形机制及控制研究[J]. 太原理工大学学报, 2016, 47(05): 605-612. [70] 史向东. 煤巷复合顶板变形破坏机理及支护技术研究[D]. 西安科技大学, 2015. [71] 吴德义, 申法建. 巷道复合顶板层间离层稳定性量化判据选择[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(10): 2040-2046. [72] 余伟健, 王卫军, 张农, 等. 深井煤巷厚层复合顶板整体变形机制及控制[J]. 中国矿业大学学报, 2012, 41(05): 725-732. [73] 姚再峰. 回采巷道层状复合顶板的离层机理及其控制技术研究[D]. 河南理工大学, 2014. [74] 吴文达, 王天辰, 柏建彪. 煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制[J]. 太原理工大学学报, 2023, 54(04): 684-691. [75] 张顶立. 综合机械化放顶煤开采采场矿山压力控制[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1999. [76] 夏小刚, 黄庆享. 基于空隙率的冒落带动态高度研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2014, 31(01): 102-107. [77] 陈学星, 刘伟韬, 张培森. 厚表土层薄基岩条件下分层开采覆岩破坏规律研究[J]. 矿业安全与环保, 2010, 37(06): 20-22+26+6. [78] 蔡为益, 张东升, 常泽超, 等. 遗弃煤层复采综放工作面矿压规律研究[J]. 矿业研究与开发, 2019, 39(05): 55-59. [79] 王旭春, 黄福昌, 张怀新, 等. AH威尔逊煤柱设计公式探讨及改进[J]. 煤炭学报, 2002, (06): 604-608. |
中图分类号: | TD325 |
开放日期: | 2024-06-24 |