旧采残煤长壁开采煤柱应力分布及破坏规律研究

摘要

上世纪八、九十年代，限于技术和装备条件不足，我国地方小煤矿曾长期采用刀柱式、巷柱式（高落式）等旧式采煤方法，回采率不到30％，导致大量的优质煤炭资源遗留于采空区内，造成极大的浪费。旧采残煤的再次开采利用，能充分利用宝贵的煤炭资源、对矿井可持续发展具有重要的现实意义。
　　本文以晋煤集团圣华煤业3号煤层残煤复采为工程背景，在煤岩蠕变试验的基础上，运用正交试验设计法，研究了各开采因素对旧采区煤柱稳定性的影响规律；通过数值模拟，研究了复采工作面推进时不同稳定性煤柱的应力分布及破坏规律及在预充填条件下煤岩体的应力分布及破坏规律，为残煤长壁开采提供理论依据。主要工作如下：
　　1、为研究开采因素对旧采区煤柱稳定性影响规律，进行了煤岩蠕变试验，比较了西原模型与西原加速模型对描述圣华煤业煤岩蠕变特性的适用性，得出了适于描述圣华煤业煤岩蠕变特性的本构模型，并对该本构模型的蠕变参数进行了辨识。
　　2、利用蠕变试验结果对旧采区煤柱稳定性状态进行数值模拟。研究了煤柱宽度、巷道宽度、巷道高度等开采因素对煤柱核区率、煤柱中最大垂直应力、煤柱中最大剪切应力的影响。研究表明，对煤柱核区率影响最大的因素为自身煤柱宽度、巷道高度；对煤柱中最大垂直应力与最大剪切应力影响最大的因素为空巷宽度。建立了圣华煤业旧采区煤柱的核区率、最大垂直应力、最大剪切应力与各影响因素的数学模型。
　　3、研究了复采工作面推进时应力场的变化规律与超前煤柱稳定性对复采工作面在推进时应力场变化规律的影响。研究表明：在复采工作面推进时，超前支承压力应力集中系数为2-3，应力峰值位于工作面前方煤柱或超前煤柱。当旧采区超前煤柱核区率为45%时，基本顶初次垮落步距为14m，基本顶超前断裂步距为17m；当旧采区超前煤柱核区率为70%时，基本顶初次垮落步距为16m，基本顶超前断裂步距为18m。
　　4、分析了超高水材料预充填旧采区空巷对复采工作面的推进时应力场变化规律的影响。研究表明：预充填旧采区空巷后，在复采工作面推进时，应力峰值始终位于工作面前方煤岩，基本顶初次垮落步距为20m。与未充填相比，空巷预充填对工作面前方围岩与顶板稳定性控制起到了积极作用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3研究方法和内容

第二章 复采工作面煤层概况及旧采区煤柱稳定性分析

2.1 工程背景

2.2 旧采区空巷分布概况

2.3旧采区煤柱稳定性影响因素

2.4 复采工作面超前煤柱受力及稳定性分析

2.5本章小结

第三章 圣华煤业煤岩蠕变特性试验研究及数据分析

3.1圣华煤业煤岩蠕变试验

3.2蠕变模型的选定与参数的辨识

3.3本章小结

第四章 基于蠕变试验的旧采区煤柱核区率、应力影响因素数值模拟研究

4.1 试验方案设计与模型建立

4.2 旧采区煤柱核区率影响因素分析

4.3旧采区煤柱应力影响因素分析

4.4本章小结

第五章 复采工作面推进过程中超前煤柱稳定性对应力场影响规律研究

5.1方案设计及数值模型建立

5.2复采工作面推进时应力场变化规律研究

5.3预充填处置空巷的数值模拟研究

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文和参加的科研项目