沖溝發(fā)育礦區(qū)淺埋煤層采動覆巖失穩(wěn)機(jī)理及其控制研究

本項(xiàng)目針對我國西北礦區(qū)地表沖溝發(fā)育的地形地貌特點(diǎn)，以基巖型和沙土質(zhì)型采動坡體為主要研究對象，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室物理模擬、計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算、理論分析及現(xiàn)場實(shí)測等手段，對沖溝發(fā)育礦區(qū)淺埋煤層采動覆巖失穩(wěn)機(jī)理及其控制進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。在項(xiàng)目組共同努力下，目前已按計(jì)劃完成研究內(nèi)容，并初步指導(dǎo)了工程實(shí)踐。主要研究成果如下： （1）揭示并證實(shí)了工作面不同的推進(jìn)方向可導(dǎo)致不同的采動坡體活動方式，向溝開采時產(chǎn)生順坡滑移，背溝開采時產(chǎn)生反坡倒轉(zhuǎn)，但基巖型沖溝與沙土質(zhì)型沖溝引起坡體活動的機(jī)理不同。提出了基巖型沖溝采動坡體的“多邊塊”鉸接結(jié)構(gòu)，分析了坡角變化對該結(jié)構(gòu)的影響特征，建立了相應(yīng)的穩(wěn)定性分析力學(xué)模型；得出坡角越大，基巖厚度越小，該結(jié)構(gòu)越易產(chǎn)生滑落失穩(wěn)，并計(jì)算出控制多邊塊體滑落失穩(wěn)的支護(hù)阻力。 （2）提出了沙土質(zhì)型沖溝坡體下淺埋煤層基本頂初次破斷的不對稱性，建立了與基本頂初次來壓和周期來壓相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和“支架—圍巖”關(guān)系分析，計(jì)算出控制頂板結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護(hù)阻力。 （3）現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了兩種典型沖溝采動坡體下工作面支護(hù)阻力計(jì)算的有效性，并表明：背溝開采時工作面支護(hù)阻力呈減小趨勢，頂板控制的重點(diǎn)區(qū)域?yàn)椴蓜悠麦w的下段；在煤層埋深一定的條件下，沖溝深度越大，坡角越大，采動坡體對工作面頂板的反作用效應(yīng)越大。 （4）基于實(shí)測和數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，提出了沖溝切割系數(shù)的概念，并依據(jù)裂深比、沖溝切割系數(shù)與坡角等指標(biāo)，結(jié)合沖溝活動對井下采場礦壓影響的敏感性程度，將沖溝坡體分為敏感型坡體、過渡型坡體和不敏感型坡體三類。 （5）提出了沖溝坡體下開采頂板控制的基本對策和方法，主要包括加大支護(hù)強(qiáng)度、合理選擇采高、優(yōu)化開采部署（即避開沖溝開采或沿溝開采）、調(diào)整開采方法等；結(jié)合工程實(shí)踐，開發(fā)了沿溝開采技術(shù)，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)越性。開發(fā)了沿溝開采技術(shù)，并通過工程實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)的優(yōu)越性。 2100433B

我國西北礦區(qū)地表沖溝發(fā)育的地形地貌導(dǎo)致淺埋煤層長壁開采工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出新的特征，由此影響礦井安全高效生產(chǎn)的現(xiàn)象普遍存在。本項(xiàng)目以淺埋煤層采動覆巖為研究對象，基于典型沖溝采動坡體物質(zhì)組分及性能參數(shù)測定結(jié)果，綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬、3DEC數(shù)值計(jì)算、理論分析等方法，系統(tǒng)分析由開采引起的采動坡體的活動方式、影響因素及失穩(wěn)模式，將采動坡體活動納入頂板結(jié)構(gòu)控制研究中來，建立沖溝坡體下淺埋煤層開采覆巖整體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，揭示由采動坡體失穩(wěn)誘發(fā)頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制。結(jié)合理論分析和采動坡體失穩(wěn)對礦壓影響的敏感性實(shí)測結(jié)果，確定沖溝采動坡體敏感性分類的關(guān)鍵指標(biāo)并研究其定量化描述與計(jì)算方法，基于采動坡體的敏感性分類結(jié)果，提出相應(yīng)的控制頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的有效對策。研究成果可指導(dǎo)條件類似礦區(qū)的煤柱設(shè)計(jì)、支架選型，也可為山區(qū)采動地表移動變形預(yù)計(jì)和采動山體滑坡控制提供理論借鑒。

《淺埋巖溶礦區(qū)采動裂隙發(fā)育及地表塌陷規(guī)律研究》主要內(nèi)容包括：采動覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律及頂板巖溶洞分析模型、巖溶礦區(qū)覆巖移動及巖溶裂隙發(fā)育相似模擬試驗(yàn)、巖溶礦區(qū)采動裂隙發(fā)育規(guī)律數(shù)值模擬研究、開采擾動下淺埋巖溶洞塌陷研究、巖溶地表塌陷實(shí)例分析及巖溶層下煤層開采設(shè)計(jì)。研究內(nèi)容具前瞻性、新穎性和實(shí)用性。

《淺埋巖溶礦區(qū)采動裂隙發(fā)育及地表塌陷規(guī)律研究》可供采礦工程及相關(guān)專業(yè)的科研與工程技術(shù)人員參考使用。

本書以神東礦區(qū)淺埋煤層開采為背景，依托大量的淺埋煤層開采實(shí)踐與礦壓規(guī)律研究成果，建立以整體切落式破斷和滑落失穩(wěn)為主要特征的“切落體”結(jié)構(gòu)理論?；凇捌鲶w梁”理論、“懸臂梁 砌體梁”理論、“切落體”理論對神東礦區(qū)頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。研究淺埋煤層采場頂板控制技術(shù)，包括淺埋煤層頂板分類、“切落體”結(jié)構(gòu)與支架相互作用關(guān)系、淺埋煤層綜采工作面液壓支架工作阻力確定以及采場頂板來壓預(yù)測預(yù)報(bào)，闡釋淺埋煤層工作面過集中煤柱、過空巷、過溝谷以及堅(jiān)硬頂板等條件下的頂板災(zāi)害防治實(shí)例。

前言

符號表

第1章 緒論 1

1.1 淺埋煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律 1

1.1.1 國外淺埋煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律 1

1.1.2 國內(nèi)淺埋煤層覆巖運(yùn)移規(guī)律 1

1.2 淺埋煤層開采面臨的圍巖控制問題 4

第2章 神東礦區(qū)地質(zhì)條件及開采典型特征 6

2.1 煤層賦存條件 6

2.1.1 位置 6

2.1.2 交通 6

2.1.3 自然地理 6

2.1.4 地層分布 7

2.1.5 煤層分布 9

2.1.6 煤層儲量 12

2.1.7 神東公司礦井介紹 13

2.2 地質(zhì)構(gòu)造 15

2.3 開采典型特征 16

第3章 淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 24

3.1 工作面礦壓監(jiān)測技術(shù) 24

3.1.1 礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測 24

3.1.2 礦壓數(shù)據(jù)分析方法 26

3.2 中厚煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 29

3.2.1 石圪臺煤礦2.5m采高綜采工作面 29

3.2.2 榆家梁煤礦2.0m采高綜采工作面 37

3.2.3 中厚煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總結(jié) 45

3.3 大采高及超大采高綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 47

3.3.1 哈拉溝礦5.2m大采高綜采面 47

3.3.2 大柳塔礦7.0m超大采高綜采面 51

3.3.3 補(bǔ)連塔礦8.0m超大采高綜采面 59

3.3.4 上灣礦8.8m超大采高綜采面 64

3.3.5 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總結(jié) 70

3.4 放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 76

3.4.1 布爾臺礦綜放開采 76

3.4.2 大柳塔礦預(yù)采頂分層綜放開采 78

3.4.3 柳塔礦綜放開采 82

3.4.4 綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總結(jié) 90

3.5 特殊條件下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 90

3.5.1 工作面過上覆采空區(qū)集中煤柱 90

3.5.2 工作面過地表溝谷 97

3.5.3 工作面過空巷 112

第4章 淺埋煤層采場覆巖結(jié)構(gòu) 115

4.1 “砌體梁”結(jié)構(gòu) 115

4.2 “懸臂梁 砌體梁”結(jié)構(gòu) 118

4.2.1 “懸臂梁 砌體梁”覆巖破斷特征及形成條件 118

4.2.2 “懸臂梁 砌體梁”結(jié)構(gòu)運(yùn)動形式 127

4.2.3 “懸臂梁 砌體梁”結(jié)構(gòu)下的支架阻力計(jì)算方法 129

4.3 “切落體”結(jié)構(gòu) 131

4.3.1 淺埋煤層采場覆巖破斷特征 131

4.3.2 “切落體”結(jié)構(gòu)的提出 160

4.3.3 “切落體”結(jié)構(gòu)運(yùn)動與失穩(wěn)機(jī)理 161

4.4 支架合理工作阻力驗(yàn)算及頂板結(jié)構(gòu)分類 167

第5章 淺埋煤層采場頂板控制 179

5.1 淺埋煤層頂板分類 179

5.1.1 分類基礎(chǔ) 179

5.1.2 分類方法 181

5.1.3 分類結(jié)果 186

5.2 液壓支架與圍巖相互作用機(jī)理 187

5.2.1 相互作用模型的建立 187

5.2.2 支架對“切落體”結(jié)構(gòu)的影響 188

5.2.3 “切落體”結(jié)構(gòu)對支架的影響 192

5.3 采場頂板來壓預(yù)測預(yù)報(bào) 219

5.3.1 關(guān)鍵指標(biāo)分析 219

5.3.2 頂板來壓預(yù)測預(yù)報(bào)方法 223

第6章 淺埋采場頂板災(zāi)害防治技術(shù) 225

6.1 工作面過上覆集中煤柱壓架防治技術(shù) 225

6.1.1 石圪臺礦地質(zhì)開采條件 226

6.1.2 切頂壓架防治技術(shù) 227

6.1.3 防治效果 233

6.2 大采高工作面過空巷防治切頂壓架技術(shù) 234

6.2.1 工作面地質(zhì)開采條件 236

6.2.2 過空巷時壓架防治技術(shù) 236

6.2.3 應(yīng)用效果 240

6.3 大采高工作面過溝谷頂板災(zāi)害防治技術(shù) 246

6.3.1 哈拉溝煤礦地質(zhì)開采條件 247

6.3.2 工作面過溝谷頂板災(zāi)害防治技術(shù) 248

6.3.3 防治效果 249

6.4 工作面堅(jiān)硬頂板控制技術(shù) 249

6.4.1 深孔預(yù)裂爆破初采強(qiáng)制放頂技術(shù) 249

6.4.2 水力壓裂初次放頂技術(shù) 254

6.4.3 井下定向長鉆孔頂板分段水力壓裂技術(shù) 263

6.5 淺埋大采高工作面柔模混凝土沿空留巷技術(shù) 273

6.5.1 工作面地質(zhì)開采條件 273

6.5.2 柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)與工藝 274

6.5.3 應(yīng)用效果 282

參考文獻(xiàn) 285

彩圖 2100433B