淺埋煤層短壁開(kāi)采關(guān)鍵層破斷及控制研究.pdf

1、如何通過(guò)合理方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)短壁回采過(guò)程中留設(shè)的支巷間煤柱實(shí)現(xiàn)自身的穩(wěn)定屈服，從而緩解或消除淺埋煤層堅(jiān)硬頂板破斷大面積來(lái)壓所產(chǎn)生的動(dòng)力災(zāi)害問(wèn)題，同時(shí)最大程度提高煤炭回收率，對(duì)神東地區(qū)短壁回采工藝的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)邊角煤的最大程度回收尤為重要。本文從決定淺埋煤層頂板穩(wěn)定的關(guān)鍵層著手，綜合利用理論分析、物理模擬和數(shù)值模擬等研究方法，分析關(guān)鍵層開(kāi)裂前的變形和能量分布以及開(kāi)裂后形成砌體梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)理；系統(tǒng)分析相鄰區(qū)段開(kāi)采過(guò)程中關(guān)鍵層及其上覆巖層的變形

2、和破斷規(guī)律；結(jié)合局部剛度理論和屈服煤柱理論對(duì)“關(guān)鍵層-屈服煤柱”系統(tǒng)安全破壞進(jìn)行了工程方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴建立了包含煤壁屈服區(qū)在內(nèi)的復(fù)合地基梁力學(xué)模型，研究了煤壁屈服區(qū)寬度與超前支承壓力分布、關(guān)鍵層的初次開(kāi)裂和周期開(kāi)裂之間的關(guān)系，系統(tǒng)分析關(guān)鍵層的開(kāi)裂位置、能量分布和變形等情況；建立了包含原巖水平應(yīng)力作用的砌體梁穩(wěn)定計(jì)算方法和判據(jù)；結(jié)合神東淺埋煤層覆巖特點(diǎn)分析了關(guān)鍵層及其上覆巖層的開(kāi)裂過(guò)程、變形、應(yīng)力分布和整

3、體垮落機(jī)理。⑵根據(jù)短壁連采工作面布置特點(diǎn)和尺寸，利用物理相似模擬和數(shù)值模擬，研究了相鄰區(qū)段開(kāi)采對(duì)上覆關(guān)鍵層穩(wěn)定的影響。結(jié)果表明，本區(qū)段支巷回收過(guò)程加劇了相鄰已采區(qū)段關(guān)鍵層的變形，影響程度隨已采區(qū)段關(guān)鍵層跨度增加而越加明顯；而已采區(qū)段關(guān)鍵層是否穩(wěn)定直接決定了相鄰在采區(qū)段關(guān)鍵層的變形、極限跨距和垮落模式；通過(guò)位于相鄰兩側(cè)區(qū)段上方所形成的雙壓力拱結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理分析了產(chǎn)生上述影響的原因。⑶在進(jìn)一步完善圍巖局部剛度計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，并結(jié)合屈服煤

4、柱理論提出了“關(guān)鍵層-屈服煤柱”系統(tǒng)安全破壞理論，在系統(tǒng)分析區(qū)段支巷寬度、支巷回收順序、末采支巷（區(qū)段內(nèi)最后回收的支巷）位置、屈服煤柱（支巷間煤柱）位置和數(shù)量等參數(shù)對(duì)圍巖局部剛度影響的基礎(chǔ)上，將屈服煤柱設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化為6個(gè)最基本的剛度單元，通過(guò)數(shù)值模擬和理論計(jì)算確定了適合每個(gè)局部剛度單元的合理屈服煤柱寬度；在綜合考慮區(qū)段內(nèi)支巷安全回收和關(guān)鍵層安全破壞以及增加區(qū)段可采面積和區(qū)段煤炭回收率的基礎(chǔ)上對(duì)屈服煤柱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了篩選和優(yōu)化，并進(jìn)一步給