急倾斜煤层巷道放顶煤开采的关键问题研究

作     者：谢东海 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯涛

授予年度：2007年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：急倾斜煤层 巷道放顶煤 破碎机理 工艺参数 可放性评价 数值模拟 

摘      要：急倾斜中厚—厚煤层巷道放顶煤采煤法的关键问题主要有四个:顶煤可放性的影响因素及评价、放煤巷道的布置与维护、顶煤破碎机理、工艺参数等。 以多个矿井的工业性试验为基础,采用灰色系统理论、模糊数学方法对顶煤可放性的影响因素与评价进行分析和计算,通过筛选各种指标,选取煤层强度、开采深度、煤层厚度、煤层倾角、煤层顶底板岩层、煤层夹矸和安全条件等七项自然指标十二个二级指标进行分析和计算,得出各项指标与顶煤可放性关联度从大到小的顺序为:煤层强度、煤层倾角、煤层厚度、开采深度、煤层夹矸、安全条件和煤层顶底板岩层。同时,通过计算和比较,将顶煤可放性分为五类:可放性好(Ⅰ)、可放性较好(Ⅱ)、可放性一般(Ⅲ)、可放性较差(Ⅳ)、可放性差(Ⅴ),可据此判断顶煤的可放性。 采用弹塑性理论对顶煤应力环境与变形进行分析,认为顶煤受力主要来自煤层与顶板的重力和放顶煤形成的集中应力,水平地应力与瓦斯压力均对顶煤的破碎产生重要影响。计算的极限平衡带高度与现场深基点位移测试数据基本一致,顶煤应力极限平衡带的高度与顶煤破碎及可放性相关,极限平衡带高度大,则顶煤破碎及可放性差;反之,极限平衡带高度小,则顶煤破碎及可放性好。放煤巷道与放煤小眼施工时的顶煤应力和位移变化,采用FLAC软件进行数值模拟,结果表明,放煤巷道和放煤小眼施工扰动时产生的塑性区和塑性破坏等均出现在巷道的肩部和支架的扎脚处,在生产期间应进行重点维护;巷道围岩的位移迹线和主应力均有利于顶煤的变形破碎。 顶煤破碎机理分析时,采用弹塑性理论分析顶煤走向的变形破碎过程及顶煤冒落的主要因素;顶煤沿走向的破碎是由于顶煤中部的拉应力超过煤体的抗拉强度所致,顶煤出现“冒落—裂隙带上移—新的冒落—裂隙带进一步上移的破碎过程,顶煤的冒落与煤体的力学性质及节理裂隙发育程度具有较大的相关性。顶煤沿倾向的变形破碎过程通过非连续介质理论和模拟计算软件(UDEC)进行数值模拟,分析顶煤沿倾向变形破碎的过程和空间形态;顶煤沿倾斜方向在不同冒落高度的力学特性和空间形态基本一致,冒落空间形态具有成拱性,即形成一个“顶板—煤层—底板的非对称拱型力学结构,拱顶向顶板方向偏移;顶煤和围岩的破坏过程大致分为四个区:顶煤放出区、沿底滑落区、顶板离层破坏区和煤岩滞后冒落区等,煤层顶底板的变形较小,主要是冒落的顶煤给顶底板岩层有一个支撑作用。 将突变理论用于顶煤破碎冒落机理分析,建立项煤破坏失稳的尖点突变模型,假设顶煤破碎是受节理裂隙的弱面影响而形成的,得出顶煤破碎冒落的判据为顶煤裂隙面内弹性核区介质的刚度与屈服带内介质的刚度之比,即刚度比。在刚度比小于1时,顶煤弹性核区段的刚度越小、屈服段刚度越大,越易于发生顶煤滑移突变失稳,从而形成破碎冒落。 基于计算机模拟的放矿理论对于项煤生产各工艺参数的优化,可以提高顶煤的回收率和降低含矸率。放煤顺序设置合理可以保持顶煤与矸石接触面近水平下移;分段高度在不同煤层厚度时,其有效范围将不同;放煤口间距的大小与顶煤回收率有密切的关系,间距小时,顶煤回收率高,但间距过小会增加生产管理的难度;顶煤含矸率的适量增加可以提高顶煤的回收率。 因此,急倾斜中厚—厚煤层巷道放顶煤采煤法的关键问题研究,对完善和推广这一开采方法具有较大的理论意义和实际意义。