宇昌煤业回风立井保护煤柱优化设计及稳定性研究

作     者：张国韬 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾伟

授予年度：2023年

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

主      题：回风立井 保护煤柱 数值模拟 开采沉陷 立井安全保护 

摘      要：“十四五期间,我国煤炭需求量还将继续增加,通过科学研究合理地划定保护煤柱线的范围,成为解放“三下压煤,提高煤炭回收率的重要方法。基于此,本文以宇昌煤业3116综放工作面为工程地质背景,通过资料收集与整理、现场调研、实验室试验、数值模拟、开采沉陷预计计算等方法,对回风立井保护煤柱尺寸进行合理优化,探究回采过程中围岩运移规律及立井井筒的破坏形式,对地表沉陷规律进行预计分析,并结合矿井生产条件给出煤柱回收过程中井筒的保护措施,本文主要研究成果如下:(1)通过对煤岩试样力学参数进行测定,得到了煤岩石自然块体密度以及单轴抗拉、抗剪、抗压等力学性能参数,分析可知3116综放工作面直接顶为中等稳定,老顶属于中等硬度顶板,稳定性较好,并采用垂直剖面线法和垂线法对回风立井受护区域保护煤柱范围进行初步划分。(2)通过对回风立井保护煤柱合理宽度的研究,得出回风立井沿工作面推进方向上留设的煤柱宽度不得小于96m,并结合理论分析等方法,得出了宇昌煤业生产地质条件下,井筒变形破坏的主要方式。首先,回风立井井口处易受到回采影响,产生较大的水平偏移和下沉;其次,由于宇昌煤业基岩层和松散层力学性质差异较大,层位间滑移等作用使得井筒造成变形与破坏;最后,在保护煤柱单侧回采条件下,井筒内壁应力远高于外壁应力,易发生井筒内缘的单侧破坏,工作面回采产生超前应力的会使得井筒底部竖向应力增大,但由于混凝土材料抗压能力较强,在突破屈服强度之前,此区段内井筒一般不会发生破坏。(3)采用概率积分法对3115、3116工作面回采的地表沉陷进行预计计算,并对不同开采程度下地表建(构)筑物的破坏等级做出评价,结合数值模拟结果最终确定回风立井沿工作面推进方向上留设100m的保护煤柱宽度时能够满足安全生产的要求。(4)结合宇昌煤业工程特点对立井井筒保护措施进行,提出宇昌煤业回风立井保护煤柱回采过程中的安全保护措施:加强对井筒内壁的应力应变监测、对破碎井壁做及时补强、优化工作面开采速度、工作面回采末端采用只回采煤层底煤,留上部顶煤自然垮落充当垮落带的开采方式,防止井筒在工作面回采末期发生偏移和破坏。该论文有图56幅,表28个,参考文献84篇。