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深部综放开采区段煤柱合理宽度及稳定性探讨

日期:2022年02月21日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:611
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202202161129511235 论文字数:39966 所属栏目:建筑工程管理论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇建筑工程管理论文,本文围绕深部开采综放面煤柱合理宽度及稳定性研究主旨,基于胡家河矿 402102工作面工程地质条件,先后采用岩石力学实验与声发射监测,分析煤体力学性质及损伤破坏声发射特征;理论分析求解区段煤柱合理宽度,数值分析不同宽度煤柱应力、塑性分布变化规律,给出区段煤柱合理宽度理论数值解;开展工程现场煤柱围岩实测分析,综合确定区段煤柱合理宽度及其稳定性。

1  绪论

1.1  选题背景及意义

随着我国经济社会发展,能源需求逐渐增加,对于占能源主体地位的煤炭需求也逐渐提升。伴随着长期大规模开采,较浅部煤炭资源减少,据目前开采深度统计,平均开采深度已达 600m,并正以年均 8~12m 速率逐年增加,开始进入深部开采阶段[1]。深部煤岩体在形成前期经历了复杂地质活动的影响,原生缺陷大量存在,受深部“三高一扰动”复杂力学环境影响,煤岩力学性质呈现明显非线性变化特征[2],采掘活动期间岩石工程灾害日趋增多,如矿井冲击地压、巷道围岩大变形、矿压显现加剧等[3],为深部矿井煤炭资源安全高效回采带来严重威胁。

深部开采条件下,留设区段煤柱仍是保护回采巷道稳定性的主要方法之一。一种科学合理的煤柱宽度设计,不仅可使巷道位于侧向支承压力降低区,达到保护回采巷道围岩稳定性的目的,而且有利于深部煤柱动力灾害,进行采空区瓦斯、水、火等灾害隔离防治,对提高工作面煤炭资源回收率也具有积极的意义。彬长胡家河矿主采 4#煤层,平均采深达 680m,面临着水、火、瓦斯、冲击等多元灾害,开采条件更为复杂,如何兼顾巷道围岩稳定性、动力灾害防治及资源回收率等因素进行煤柱宽度合理设计,是目前矿井安全开采面临的重要问题。

以 402102 工作面为例,设计长度约 1800m、宽度 180m,巷道布置采用一进一回加外错泄水巷布置方式。其中,近采空区一侧为回风巷,回风巷与采空区间隔 70m 区段煤柱,巷道主要受一次采动影响,煤柱围岩稳定性较好,而相邻工作面留设 70m 大煤柱,造成煤炭资源浪费严重,对单个工作面储量 615 万吨而言,留设保护煤柱浪费的煤炭资源便多达 240 万吨,资源浪费达三分之一以上。其中,实体煤一侧分别布置运输巷和泄水巷,巷间间隔 20m 煤柱,受一次采动影响煤柱稳定性较差,泄水巷围岩动力灾害显现明显,采掘活动期间煤炮频频发生、巷道变形严重、局部显著底鼓,不利于工作面安全回采。因此,从提高煤炭资源回收率、泄水巷围岩动力灾害防治两个角度出发,开展煤柱合理宽度及稳定性研究,优化设计煤柱合理宽度,保证巷道围岩稳定,提高煤炭资源回收率,促进深部煤炭资源科学绿色开采。

1.2  国内外研究现状及发展趋势

1.2.1  煤柱宽度合理设计研究

充分检索调研煤柱宽度设计相关文献,综合国内外专家学者相关研究,明确煤柱合理设计研究方法主要包含三类:

其一,依据矿山岩石力学相关理论,建立力学平衡模型,推导分析得到模型力学平衡公式,结合现场煤岩力学性质测试结果,计算求解明确维持煤柱自身稳定合理宽度;

其二,采用数值模拟方法、或相似模拟等计算机仿真分析、或实验室模拟研究方法,模拟分析工作面回采期间煤柱应力分布状态,详细分析在工作面采动影响下不同宽度的煤柱稳定性,分析确定保持使得煤柱自身保持稳定的合理煤柱宽度;

其三,即采用先进的矿用煤柱应力及变形监测仪器,或采用十字布点法等手段对巷道煤柱围岩应力及变形进行人为观测,得到现场工程尺度下工作面回采期间煤柱围岩应力分布及变形状态,最后结合现场监测结果及实际生产情况,综合提出区段煤柱宽度合理优化建议。

针对煤柱宽度合理设计这一问题,国内外专家学者展开了诸多研究。其中,侯朝炯等[4]以松散介质极限平衡理论为基础,建立理论力学模型,分析巷道围岩应力分布状态,合理确定煤帮塑性区宽度;于远祥等[5]采用弹塑性理论力学方法,建立煤帮弹塑界面岩体受载力学模型,见图 1.1,通过有效计算得到深埋煤层巷道煤帮极限平衡区宽度,为煤柱合理宽度分析奠定了理论基础。

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2  现场工程地质条件及煤岩力学特性

2.1  工程地质条件

2.1.1  研究区域概况

(1)矿井概况

陕西彬长矿区隶属于全国 14 个大型煤炭基地黄陇基地,位于黄陇侏罗纪煤田中部。煤层埋深 500~1000m,厚度 4~26m,赋存条件复杂,灾害耦合叠加。以彬长矿区下辖胡家河煤矿为例,位于咸阳西北部,彬长中北部,彬县、长武县交界,地理位置如图 2.1所示,主采 4#煤层,埋深 578~817m,平均深度 680m,开采条件复杂,面临水、火、瓦斯、冲击地压等多元灾害。

(2)工作面概况

4#煤层划分 7 个盘区,首采区为 401 和 402 盘区,论文研究 402102 工作面东侧为402103 采空区,南侧为大巷,西侧 402101 工作面,工作面巷道布置方式如图 2.2 所示。402102 工作面设计可采长度 1806m,倾向长 180m,走向长壁分层综放开采,全部垮落法管理顶板,煤层厚度 14m,其中割煤设计高度 3.5m,放煤 10.5m,采放比 1:3。 

(3)巷道布置及煤柱设计情况

工作面巷道布置有运输巷、回风巷、泄水巷三条回采巷道,其中 402102 工作面运输巷、回风巷和泄水巷三条回采巷道均布置在 4#煤层中,402102 回风巷与 402103 运输巷间间隔 70m区段煤柱,主要包含 402102 回风巷与 402103 泄水巷间间隔 45m 煤柱、402103泄水巷宽度 5m、402103 泄水巷与 402103 运输巷间间隔 20m 煤柱,而高位瓦斯抽放巷布置在 4#煤层顶板上方 6~8m 稳定岩层中,对于巷道煤柱围岩稳定性影响可以忽略。402102 工作面煤柱巷道布置及层位关系见图 2.3。

2.2  煤岩损伤演化过程及力学特性

2.2.1  实验概况

本节采用岩石力学实验系统配合声发射监测系统,以实验煤样和粗粒砂岩试样为例,开展常规单轴岩石力学压缩实验,在试样加载过程破坏过程中同步进行声发射监测,通过分析所得相关特征参数,进而得到煤岩试样受载损伤破坏声发射特征。

(1)试样制备

综合考虑本文研究目的,选择合适采集地点,实验煤岩试样均取自彬长矿井 4#煤层及顶底板岩层。煤岩采样完毕,托运至实验室,经过标准试样加工,进行煤岩样抗压强度、弹性模量等系列力学参数测试。根据钻取实验煤样煤块的不同,根据煤块样品的不同,煤试样编号分别记为 A1~A2、D1~D3、J1~J4,而实验岩样均为彬长胡家河煤矿顶板岩层粗砂岩,为便于识别,岩样编号依次定义为 Y1~Y7。

(2)实验设备

本次实验主要依托于西安科技大学 MTS 岩石力学实验系统进行单轴加载实验,声发射测试系统采用北京软岛 DS5 全信息声发射信号分析仪,设置门槛值为 20。单轴加载及声发射测试系统,见图 2.6。

(3)实验方案

煤岩试样主要进行单轴压缩实验,采用控制力加载方式,为使声发射记录时间在最大记录时间范围之内,试样加载速率应控制在一定范围内,试样加载过程轴向加载速率煤样 0.1KN/S、岩样 0.2KN/s,连续加载直至煤岩试样发生整体性的断裂破坏。试样加载过程中,岩石力学实验机与声发射装置监测近乎同步进行。实验加载共进行 14 次实验,重复进行 7 个煤样和 7 个岩样单轴加载配合声发射监测实验。实验声发射监测布置如下,在试样上方共布置 8 个声发射传感器,采样发射转换器将煤样与声发射传感器相连,煤样与转换器之间采样 AB 胶混合进行固定,而传感器与转换器间采用凡士林耦合。

3  煤柱合理宽度及稳定性理论分析······················· 25

3.1  煤柱失稳破坏特征 ································ 25

3.1.1  煤柱载荷概述 ···························· 25

3.1.2  煤柱强度概述 ·························· 27

4  煤柱应力分布及合理宽度数值分析················ 41

4.1  采动影响煤柱应力分布特征 ················ 41

4.1.1  模型建立及参数选择 ························ 41

4.1.2  煤柱区应力状态模拟分析 ······················ 43

5 煤柱应力分布特征实测分析及应用 ······················· 54

5.1  煤柱应力分布特征实测分析 ······················ 54

5.1.1  监测方案设计 ··························· 54

5.1.2  煤柱区应力场演化过程 ··························· 55

5  煤柱应力分布特征实测分析及应用

5.1  煤柱应力分布特征实测分析

5.1.1  监测方案设计

为获得 402102 工作面回采期间巷道煤柱区围岩应力分布规律,采用钻孔应力计传感器监测巷道围岩应力情况,通过在 402102 工作面回风平巷侧煤柱帮(泄水巷煤柱帮、煤壁侧帮)一侧围岩安装 GZY60W 本安型钻孔应力计监测仪器,测点布置方案见图 5.1,得到受 402102 工作面采动影响期间煤柱区围岩应力分布状态。

建筑工程管理论文参考

依据钻孔应力监测测点布置方案,在 402102 回风平巷区段煤柱侧围岩(泄水巷煤柱帮、煤壁帮侧围岩)各安装 1 组应力监测测站,从工作面