浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析

论文摘要

神府东胜矿区是目前我国探明储量最大的煤田,埋藏浅、上覆厚松散沙层是神东矿区煤层的典型赋存特征。矿区煤层倾角近水平,赋存稳定,开采条件较优越。但矿井初期开采实践表明,煤层埋藏浅却不一定矿压显现缓和:长壁开采工作面普遍存在顶板台阶下沉现象,并伴有涌水和溃沙等灾害,严重影响着开采的安全性、产量和效益。而采场涌水和溃沙等灾害问题实质上就是顶板关键层的破断形态及其稳定性问题。顶板控制的核心问题是老顶关键层的控制,对浅埋煤层老顶关键层的稳定性研究具有十分重要的意义。本文主要围绕浅埋煤层老顶关键层的初次来压的过程和稳定性进行研究。通过现场实测的方法研究浅埋煤层矿压显现的基本规律;建立老顶关键层初次破断后形成的塑性三铰拱系统的力学模型,并对其受力情况和运动情况进行分析,预测浅埋煤层初次来压期间老顶基岩可能出现的灾害形式;应用初始后屈曲理论并结合浅埋煤层的赋存特征,确定老顶破断后的极限下沉量及其在非平衡状态下岩块间的水平推力,给出老顶台阶下沉的判别依据,估算台阶下沉量,并以大柳塔1203综采工作面为工程实例加以验算;以大柳塔1203综采工作面为原型开展物理相似模拟实验,研究顶板初次破断的结构形态和贯通裂缝分布规律并对实验误差进行分析。最后,总结全文并对今后的研究方向提出合理建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 煤炭在国内外的重要作用
• 1.1.2 煤层开采存在的困难
• 1.2 问题的提出和研究的意义
• 1.2.1 问题的提出
• 1.2.2 研究的目的及意义
• 1.3 本课题已有的研究成果与现状分析
• 1.3.1 国外的研究工作
• 1.3.2 国内的研究工作
• 1.4 研究的内容和方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 2 浅埋煤层的长壁开采及关键层理论
• 2.1 浅埋煤层的定义及浅埋煤层矿压显现的基本规律
• 2.1.1 浅埋煤层的定义
• 2.1.2 浅埋煤层矿压显现的基本规律
• 2.2 长壁开采法在采煤过程中的应用
• 2.2.1 长壁开采法采煤系统
• 2.2.2 长壁开采的优越性和发展趋势
• 2.3 关键层理论在顶板控制中的应用
• 2.3.1 关键层理论的提出
• 2.3.2 关键层的基本特征
• 2.3.3 关键层的判别
• 2.4 小结
• 3 浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害机理研究
• 3.1 采场开挖过程的顶板卸载破坏
• 3.2 顶板初次破断的形态及其机理
• 3.2.1 “三铰拱结构”的非对称性
• 3.2.2 顶板初次破断后的结构稳定性分析
• 3.3 顶板关键层的后屈曲性态
• 3.3.1 顶板关键层的初始后屈曲
• 3.3.2 顶板关键层的后屈曲性态
• 3.3.3 工程实例
• 3.4 小结
• 4 浅埋煤层长壁开采的物理相似模拟试验
• 4.1 模拟实验研究的内容
• 4.2 物理相似模拟实验原理
• 4.2.1 相似概念
• 4.2.2 相似定理
• 4.3 实验原型地质条件分析
• 4.4 实验设计分析以及结果
• 4.4.1 相似条件确定
• 4.4.2 实验分析及实验结论
• 4.4.3 实验误差分析
• 4.5 小结
• 5 结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录