大倾角煤层群上保护层开采应力时空演化规律研究

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大倾角煤层群上保护层开采的应力时空演化规律是保证大倾角煤层群上保护层安全开采和被保护层卸压瓦斯高效抽采急需解决的关键科学问题。论文针对大倾角煤层群上保护层安全高效开采难题,基于东林煤矿大倾角上保护层开采工程实际,采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究了大倾角煤层群上保护层开采的应力时空演化规律。论文取得的主要研究结论如下:(1)根据弹性薄板理论建立大倾角煤层基本顶的初次、周期破断力学模型,得到了其破坏演化规律与破断模式。结果表明,大倾角煤层基本顶的破断具有时空演化规律,其空间破坏次序为顶板中部、顶板上部和顶板下部。初次破断是从顶板的上表面长边中上部产生发育裂隙,随后向四周延伸发育为“O”型破断;同时,顶板的下表面中部也产生发育裂隙,随后沿板的对角线发展成“X”型破断;随工作面的不断开采,当顶板上、下表面的裂隙相交贯通时,形成最终破断形态“O-X”型。虽然最终破断形态与缓倾斜基本相同,但其裂隙的产生及发育与水平和缓倾斜煤层存在差异。周期破断是从基本顶煤壁端下表面中部产生裂隙,并向四周端角延伸发育;同时,其上表面长边中部也产生裂隙并逐渐发育至两短边;随工作面的不断开采,当上、下表面的裂隙相互贯通时,形成最终破断形态“C-X”型。为验证理论分析的可靠性,通过对上保护层开采工作面的矿压的现场观测,分析了大倾角煤层基本顶的破坏模式及破断演化规律,研究结果与理论分析结果较一致。此外,通过对上保护层开采的底板应力分布的理论分析,表明采用大倾角上保护层开采进行卸压防突是可行的。(2)采用FLAC3D数值模拟软件,得到了大倾角煤层上保护层不断回采时顶、底板的应力、位移等时空演化规律。结果表明,上保护层不断开采时,底板煤岩体依次经历采前应力增高、采时应力降低和采后应力恢复3个阶段;底板煤岩体的变形先后经历压缩变形、膨胀变形和变形恢复3个过程。根据数值模拟计算结果,基于保护层开采的卸压、变形保护准则,得到大倾角上保护层沿倾向上、下边界的卸压角分别为70°和80°,沿走向方向的卸压角在煤层倾斜方向上呈不均匀分布,大小为56°~60°。(3)通过瓦斯压力现场考察,得到了被保护层瓦斯压力随上保护层工作面不断回采时演化规律,瓦斯压力变化与应力时空变化规律具有较强的一致性。瓦斯抽采实践表明,基于被保护层卸压范围和卸压瓦斯压力变化规律对卸压瓦斯抽采钻孔参数优化是合理的,上保护层K6煤层工作面前方30m到工作面后方60m是瓦斯抽采的最佳时机。
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