浅埋煤层群开采房采煤柱回弹变形失稳机理研究

作     者：余丹 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱卫兵

授予年度：2022年

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

主      题：浅埋煤层 房采煤柱 回弹变形 支承应力 采动裂隙 

摘      要：上世纪80-90年代,我国西部煤层开采多以房柱式开采为主,遗留了大量的房式采空区。为了探究在下煤层开采过程中上覆房采煤柱的稳定性问题,对山西朔州元宝湾矿6107工作面开采过程全程跟踪,深入研究上覆房采煤柱在采动影响下的煤柱变形失稳问题。根据6107工作面覆岩及地表运动沉陷监测结果,覆岩剧烈沉降前岩移测点出现短暂上升现象。针对这一现象,本文采用覆岩运移监测、结构力学理论分析、相似模拟实验、PFC数值模拟等方法,研究了浅埋煤层群上覆房采煤柱在采动影响下煤柱回弹变形失稳机理,揭示了覆岩运动特征及煤柱群失稳过程中支承应力变化规律。在元宝湾6107工作面进行了岩移监测,结果表明,三个测点在覆岩剧烈沉降之前,产生了短暂的整体抬升,各测点位移抬升量随着测点埋深增大依次减小。以此推断出,从6煤顶板处产生断裂面开始,4煤煤柱回弹变形量、3煤煤柱回弹变形量依次叠加,导致了测点的回弹量按照埋深从大到小顺序依次叠加。进而运用结构力学超静定理论,通过简化模型来定量分析工作面前方煤柱群回弹变形量数值。通过研究发现,位于工作面前方距离最近的煤柱,受采动影响回弹最为剧烈,回弹数值明显高于其他煤柱,高出距离工作面更远处煤柱回弹量一个数量级。深入挖掘元宝湾覆岩岩移监测数据蕴含信息,发现了测点位移抬升后迅速产生剧烈下沉现象。通过设计相似模拟实验,反演近距离煤层群房采煤柱失稳全过程,探究位移剧烈下沉的产生原因。实验结果表明:下煤层开采过程中的采动影响是导致工作面前方覆岩块体垮落失稳的主要原因;但工作面前方覆岩块体受围岩大结构影响仍具有一定的稳定性,垮落现象滞后于采空区上覆岩层;该实验揭示了工作面前方覆岩块体垮落的覆岩运动机制。本文采用PFC数值模拟建立了浅埋煤层房采煤柱群模型,探究了4煤房采煤柱群和顶底板岩层联动的作用下,煤柱群支承应力变化以及煤柱顶底板位移变化过程。通过对关键层断裂裂隙发育整个过程的模拟,捕捉到关键层断裂前后的极短时间内煤柱顶底板位移微小的变化;还原了房采煤柱卸载变形回弹的整个过程。所得结论为结构力学理论推断煤柱回弹变形提供了验证。该论文由图52幅,表4个,参考文献94篇。