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浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采覆岩运动规律及控制

王方田  
【摘要】:针对神东煤田浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采地质生产条件,综合运用现场调研、数值计算、物理模拟、理论分析及现场试验的研究方法,对房式煤柱稳定性、顶板大面积来压机理及防治技术、房式采空区下近距离煤层开采覆岩运动规律及其控制技术等进行了系统研究,主要研究成果如下: (1)综合运用逐步破坏理论及突变理论对房式煤柱失稳机理进行了分析,建立了煤柱失稳的判别式。基于逐步破坏理论对房式残留煤柱稳定性进行了计算分析,判定了满足煤柱稳定性安全系数1.5以上的煤柱设计尺寸。采用突变理论建立了房式煤柱破坏失稳的尖点突变模型,得到房式煤柱发生突变的必要条件为0.33wY0.43w,即弹性核区宽度大于煤柱宽度的34%时,煤柱将不会发生突变失稳,与现场勘测结果相吻合,揭示了房式残留煤柱失稳机理。 (2)建立了浅埋房式采空区下煤层开采覆岩运动结构模型,确定了支架合理工作阻力。基于弹性力学建立了固支梁及悬臂梁结构模型,并对顶板抗拉与抗剪屈服破坏进行了比较分析,理论计算与矿压监测相结合确定了顶板初次及周期来压步距。根据浅埋房式采空区下煤层开采覆岩运动特征,将“载荷层—老顶—房式煤柱—直接顶—支架”系统划分成“载荷层—老顶—房式煤柱”及“房式煤柱—直接顶—支架”两个关联系统,并求得支架合理支护阻力。根据直接顶结构特征进行力学平衡分析,得到了直接顶发生切冒的判据。 (3)揭示了深孔预裂爆破强制放顶的机理,防止了顶板大面积来压。建立了大面积顶板来压飓风冲击模型,为因大面积冒顶形成的飓风而损坏综采设备、摧毁巷道设施等现象做出了合理解释。为防止顶板大面积来压,提出采取切眼深孔预裂爆破强制放顶技术,采用LS-DYNA3D程序建立了深孔预裂爆破强制放顶计算模型,在揭示爆破放顶的机理的同时,优化了主要爆破参数。现场采用深孔预裂爆破强制放顶技术取得了良好的效果。 (4)提出了以合理控制采高及加快推进速度等措施为主的顶板控制技术,确保了浅埋房式采空区下近距离煤层安全高效开采。依据浅埋房式采空区下近距离煤层开采覆岩运动规律,提出了以合理控制采高、注砂充填采空区、加强支护管理及加快工作面推进速度为主的顶板控制技术体系,现场应用实现了浅埋房式采空区下近距离煤层安全高效开采。


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