厚煤層殘煤復采采場圍巖控制理論及其可采性評價研究.pdf

1、我國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，在一次能源消費結構比例中，煤炭占60-70％的消費結構在相當長的一個階段內(nèi)不會改變。我國又是一個富煤、貧油、少氣的國家，煤炭資源占世界總儲量的11％，但我國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社會和經(jīng)濟的發(fā)展。因此，資源保護性高回收率的開發(fā)及利用是我國煤炭開發(fā)重要戰(zhàn)略之一。由于技術裝備及工藝落后等原因，上個世紀九十年代之前我國很多礦區(qū)優(yōu)質的、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重浪費。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。
　　長壁綜合機械化放項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，長壁綜放工藝應用于厚煤層殘煤復采時，工作面圍巖應力分布規(guī)律、圍巖變形特征及頂板斷裂結構與實體煤開采有

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上，總結了舊采礦井開采損失現(xiàn)狀及殘煤復采類型，并以圣華煤業(yè)3101厚煤層殘煤復采長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合的方法，對近水平厚煤層殘煤復采放頂煤工作面采場的圍巖應力分布及運動規(guī)律、頂板斷裂特征及支架圍巖關系等進行了系統(tǒng)研究，并對近水平厚煤層殘煤復采可采性進行評價，建立了近水平殘煤復采可采性綜合評價體系。主要

4、研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)山西省舊采礦井的分布有兩個特點:①煤質越優(yōu)的區(qū)域舊采情況越嚴重;②埋藏深度越淺的煤層舊采情況越嚴重。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，殘煤復采分為縱跨煤柱型、橫跨煤柱型、斜跨煤柱型和塊段煤復采四種基本類型。
　　(2)采用二維平面、三維立體相似模擬及數(shù)值模擬實驗，對殘煤復采采場覆巖結構及運動規(guī)律進行研究。研究結果表明:受工作面前方

5、舊巷影響，殘煤復采采場頂板的斷裂特征主要表現(xiàn)為“超前大斷裂”;各巖層運動變形的起點均超前于工作面煤壁，運動變形曲線明顯形成波動幅度不同的“波浪狀”下沉盆地，根據(jù)實驗結果，建立了殘煤復采采場上覆巖層結構模型—不規(guī)則巖層塊體傳遞巖梁結構模型，并對該模型中“關鍵塊”的斷裂位置及失穩(wěn)機理深入研究，確定了影響“關鍵塊”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度，并定量建立了其間的相關關系。
　　(3)采用相似模擬及

6、理論分析，研究了殘煤復采采場支承壓力的分布、演變規(guī)律及支架圍巖關系。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)展過程劃分為三個階段，應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采的重要特點之一。通過相似模擬結果建立了支架圍巖相互作用力學模型，給出了支架工作阻力的確定方法。
　　(4)建立了液壓支架穩(wěn)定性力學模型并對支架失穩(wěn)機理進行研究，研究表明，殘煤復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，殘煤復采采場頂板超前斷裂、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上，系統(tǒng)研究了保障圍巖控制效果的綜合技術措施及其機理。主要包括改變舊采區(qū)頂板的支撐體系、轉移頂板應力集中的位置并降低應力集中系數(shù)兩種方式，分別建立力學模型分析了不同方式的圍巖控制方案對支架穩(wěn)定性的影響，研究結果表明，根據(jù)具體條件采用采前支護舊巷、爆破預裂頂板、控制煤壁片幫及端面冒漏的采場圍巖控制方