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近距离煤层综采矿压控制及采空区自然发火防治研究

孔宪法  
【摘要】:针对近距离煤层开采因顶板结构与应力环境发生改变而引发的一系列问题,如下煤层工作面顶板冒漏、巷道围岩破坏严重、支护困难和采空区自然发火等问题。本文以嘉乐泉煤矿与华苑煤矿为背景,综合采用理论分析、物理试验、数值模拟和现场实测的研究方法,对近距离煤层分层开采与联合同采围岩的应力分布、矿压规律、巷道合理位置、工作面合理错距、采空区自然发火规律及防治等进行了系统研究。主要工作及取得的成果为:(1)采用土力学理论计算得出了嘉乐泉煤矿8号煤层开采引起的底板破坏深度为25.3m;采用数值模拟方法确定了8号煤层开采引起底板垂直应力与水平应力降低区、升高区与原岩应力区的范围界限。(2)揭示了嘉乐泉煤矿9号煤层轨道上山的变形破坏机制,指出该巷道位于8号煤层煤柱下方的应力集中区并且承受偏载应力作用,确定9号煤层巷道应布置于距离煤柱边缘向采空区15m以外;研究了9号煤层回采巷道稳定性,发现顺槽在本工作面采动期间、相邻工作面采动期间以及工作面二次采动期间,顶底板和两帮移近量增大,提出应超前本工作面煤壁20m处加强支护。(3)研究了嘉乐泉煤矿8号煤层采空区下9号煤层综采工作面矿压规律、支架载荷组成和采动超前支承应力对顺槽的影响规律。直接顶初次垮落步距为7.8m,基本顶初次来压步距为19.8m,基本顶周期来压步距为6.3m,工作面生产过程中支架基本处于高阻运行状态,支架额定工作阻力为4500kN·架~(-1),初撑力为3600kN·架~(-1),顺槽超前支承应力明显影响范围在工作面煤壁前方40m。(4)通过理论计算与数值模拟研究了华苑煤矿近距离煤层联合同采工作面的合理错距,得出了9号煤采空区底板应力与10号煤工作面前方支承应力的叠加特征,确定工作面错距应大于35m;通过现场实测与分析研究了近距离煤层联合同采矿压影响规律,华苑煤矿9号与10号煤层基本顶初次来压步距分别为50.8m与23.3m,周期来压步距分别为19.8m与10.8m,支架额定工作阻力分别为4000kN·架~(-1)与6500kN·架~(-1)。(6)建立了近距离煤层联合开采采空区自然发火预测数学模型,采用CFD模拟发现在10201工作面采空区的氧气分布呈不规则倒“U”型,并且采空区不注氮时氧气浓度为7%~18%的区域范围比注氮时大;划分了10201工作面采空区自燃“三带”,自燃带范围包括进风侧20~70m、采空区中部10~30m以及回风侧20~60m;给出了同采工作面上下隅角堵漏、喷洒阻化剂防灭火、注氮防灭火、凝胶防灭火以及工作面CO超限应急方案等一系列防灭火技术方案及工艺。


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