厚煤層殘煤復(fù)采采場(chǎng)圍巖控制理論及其可采性評(píng)價(jià)研究.pdf

1、我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比例中，煤炭占60-70％的消費(fèi)結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)階段內(nèi)不會(huì)改變。我國(guó)又是一個(gè)富煤、貧油、少氣的國(guó)家，煤炭資源占世界總儲(chǔ)量的11％，但我國(guó)人均煤炭占有量不足世界平均占有量的一半，資源短缺將直接影響到我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，資源保護(hù)性高回收率的開發(fā)及利用是我國(guó)煤炭開發(fā)重要戰(zhàn)略之一。由于技術(shù)裝備及工藝落后等原因，上個(gè)世紀(jì)九十年代之前我國(guó)很多礦區(qū)優(yōu)質(zhì)的、稀缺的厚層煤炭資源采用巷柱式、巷放式（高落

2、式）、殘柱式等開采方法，造成了煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著采礦理論和采礦工藝的發(fā)展，這些未被有效利用的舊采殘留煤炭資源即“殘煤”的再次開發(fā)利用成為可能。
　　長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放項(xiàng)煤采煤方法是厚煤層開采有效方法之一。該方法經(jīng)歷幾十年的發(fā)展與完善，其開采工藝、配套裝備及安全技術(shù)措施等已趨于完善。受舊采區(qū)內(nèi)遺留的空區(qū)、空巷、冒頂區(qū)及煤柱的影響，長(zhǎng)壁綜放工藝應(yīng)用于厚煤層殘煤復(fù)采時(shí)，工作面圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖變形特征及頂板斷裂結(jié)構(gòu)與實(shí)體煤開采有

3、明顯的不同，圍巖控制原則也有極大區(qū)別。
　　由此，本文在充分調(diào)研山西省厚煤層舊采情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)了舊采礦井開采損失現(xiàn)狀及殘煤復(fù)采類型，并以圣華煤業(yè)3101厚煤層殘煤復(fù)采長(zhǎng)壁綜放工作面為工程背景，采用理論研究、數(shù)值模擬和相似模擬相結(jié)合的方法，對(duì)近水平厚煤層殘煤復(fù)采放頂煤工作面采場(chǎng)的圍巖應(yīng)力分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律、頂板斷裂特征及支架圍巖關(guān)系等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)近水平厚煤層殘煤復(fù)采可采性進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立了近水平殘煤復(fù)采可采性綜合評(píng)價(jià)體系。主要

4、研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　(1)山西省舊采礦井的分布有兩個(gè)特點(diǎn):①煤質(zhì)越優(yōu)的區(qū)域舊采情況越嚴(yán)重;②埋藏深度越淺的煤層舊采情況越嚴(yán)重。厚煤層舊采采煤方法主要包括巷柱式、巷放式和殘柱式（以掘代采）采煤方法;依據(jù)舊采形成的殘煤賦存特征，殘煤復(fù)采分為縱跨煤柱型、橫跨煤柱型、斜跨煤柱型和塊段煤復(fù)采四種基本類型。
　　(2)采用二維平面、三維立體相似模擬及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)殘煤復(fù)采采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:受工作面前方

5、舊巷影響，殘煤復(fù)采采場(chǎng)頂板的斷裂特征主要表現(xiàn)為“超前大斷裂”;各巖層運(yùn)動(dòng)變形的起點(diǎn)均超前于工作面煤壁，運(yùn)動(dòng)變形曲線明顯形成波動(dòng)幅度不同的“波浪狀”下沉盆地，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了殘煤復(fù)采采場(chǎng)上覆巖層結(jié)構(gòu)模型—不規(guī)則巖層塊體傳遞巖梁結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)該模型中“關(guān)鍵塊”的斷裂位置及失穩(wěn)機(jī)理深入研究，確定了影響“關(guān)鍵塊”的斷裂位置與失穩(wěn)的主要因素有舊巷寬度、煤柱臨界寬度和煤壁后方懸頂長(zhǎng)度，并定量建立了其間的相關(guān)關(guān)系。
　　(3)采用相似模擬及

6、理論分析，研究了殘煤復(fù)采采場(chǎng)支承壓力的分布、演變規(guī)律及支架圍巖關(guān)系。根據(jù)工作面前方煤柱的穩(wěn)定性將工作面前方支承壓力及其顯現(xiàn)的發(fā)展過程劃分為三個(gè)階段，應(yīng)力疊加促使煤柱失穩(wěn)引發(fā)支承壓力及其顯現(xiàn)的劇烈變化是殘煤復(fù)采的重要特點(diǎn)之一。通過相似模擬結(jié)果建立了支架圍巖相互作用力學(xué)模型，給出了支架工作阻力的確定方法。
　　(4)建立了液壓支架穩(wěn)定性力學(xué)模型并對(duì)支架失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，研究表明，殘煤復(fù)采放頂煤液壓支架穩(wěn)定性事故分為推垮型事故和壓垮型事

7、故，殘煤復(fù)采采場(chǎng)頂板超前斷裂、工作面前方煤柱失穩(wěn)及舊巷頂板冒落是引起支架失穩(wěn)的主要原因。
　　(5)在以綜放支架為主要圍巖控制手段的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了保障圍巖控制效果的綜合技術(shù)措施及其機(jī)理。主要包括改變舊采區(qū)頂板的支撐體系、轉(zhuǎn)移頂板應(yīng)力集中的位置并降低應(yīng)力集中系數(shù)兩種方式，分別建立力學(xué)模型分析了不同方式的圍巖控制方案對(duì)支架穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果表明，根據(jù)具體條件采用采前支護(hù)舊巷、爆破預(yù)裂頂板、控制煤壁片幫及端面冒漏的采場(chǎng)圍巖控制方