大倾角煤层矸石局部充填覆岩运移规律研究

作     者：曹文杰 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吕文玉;伍厚荣

授予年度：2021年

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

主      题：大倾角煤层 矸石局部充填 覆岩运移 垮落形态 

摘      要：大倾角煤层在开采过程中会出现沿煤层倾斜方向覆岩应力分区特征明显,且受载程度不均匀,支架滑、倒及架间挤、咬现象加剧,严重影响了支护系统的稳定性,易造成安全事故,严重影响工作面的安全高效生产。大倾角煤层可采用人工矸石局部充填的方法,深入分析上覆岩层的运移规律,可为解决大倾角煤层长壁采场岩层运动和矿压显现控制提供理论依据,且丰富了大倾角煤层开采理论,对大倾角煤层充填开采提供科学基础,研究具有重要的理论和工程意义。本论文采用可变角度二维物理相似实验,数值计算及理论分析的方法,研究大倾角煤层矸石局部充填采场上覆岩层位移变化,应力演化特征,破坏场范围及覆岩垮落形态。研究结果表明:大倾角煤层人工矸石局部充填后覆岩的运移特征受煤层的倾角,工作面倾斜长度以及人工矸石充填工作面斜长的比例等主要因素影响。矸石局部充填开采能够有效的控制岩层移动,降低上覆岩层的垮落高度,矸石局部充填工作面长度的1/3相较于不充填,覆岩垮落高度减少42.58%,且垮落范围只出现在工作面未充填区域。当人工充填矸石比例为工作面斜长1/3条件下,随着煤层倾角的增大,应力集中区域和应力释放区域的应力值减小,顶底板应力释放较为充分,工作面未充填区域下端上覆岩层破坏场高度不断增大,工作面上端底板岩层破坏场深度不断减小,且以剪切破坏为主,覆岩走向破坏场分布相同;当工作面斜长及倾角一定时,对比充填与不充填两种开采方法,可知充填开采能够有效的控制覆岩的移动变形及破坏场范围。大倾角煤层充填后会改变覆岩原有的应力传递路径及运动方向。当充填工作面长度的1/3增大到1/2时,覆岩破坏场范围急剧减小;当人工矸石充填比及煤层倾角一定时,随着工作面长度的增大,集中应力最大值由工作面下端煤柱向工作面人工矸石充填体上端转移,充填体对工作面下端煤柱集中应力弱化效果越明显,工作面长度为135m时,矸石充填体已作为主要支撑顶板岩层的载体。分析工作面在人工矸石充填情况下基本顶的受力特征及约束条件,分别建立了关于垮落矸石充填区域基本顶、未充填区域基本顶的挠度与转角方程,最终确定了在垮落矸石充填区域基本顶、未充填区域的基本顶的最大应力点。得出未充填区域基本顶岩梁的破断位置。