浅埋煤层大采高综采工作面覆岩结构与来压机理研究

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近年来我国大采高技术在大型矿区得到普遍采用,是陕北矿区和东胜矿区的主要开采方式,然而大采高顶板结构和矿压机理认识尚不统一。特别是对陕北特有的基岩较厚、上覆双关键层的近浅埋煤层大采高长壁工作面的顶板结构和来压机理研究很少。掌握浅埋大采高长壁工作面的顶板结构、揭示来压机理具有重要理论和实践意义。本文以国家自然科学基金项目“浅埋煤层大采高顶板结构及其稳定性研究为依托”,在纳林庙二矿和张家峁煤矿2个6m大采高工作面矿压实测和相关大采高工作面矿压特征的统计分析基础上,开展了4m、5m、6m、7m大采高工作面开采顶板结构物理相似模拟实验,结合顶板结构形态的UDEC数值模拟,建立了大采高工作面顶板结构模型,系统研究了浅埋长壁大采高开采的顶板结构和顶板来压机理。实测研究表明,浅埋煤层大采高工作面支架载荷随着工作面采高加大呈线性增大,初次来压步距一般为35~70m,主要分布在50m左右;周期来压步距一般为9~20m,主要分布在15m左右;动载系数为1.2~2.0,一般为1.5;采高越大片帮越严重。物理相似模拟和数值计算发现了随采高加大顶板结构铰接位置上移现象,发现了近浅埋煤层顶板双关键层结构随充填的不同呈现两种结构形态,上位关键层主要形成“砌体梁”结构,下位关键层主要表现为“台阶岩梁”结构。通过建立力学模型,对下位关键层结构的稳定性进行了分析,得出了影响下位关键层稳定性的主要影响因素是采高、顶板结构块度、载荷层厚度、铰接点位置(直接顶厚度和充填)。最后得出浅埋煤层大采高工作面小周期来压的机理是下位关键层结构的滑落失稳,大周期来压的机理是上位关键层结构失稳导致下位关键层结构滑落失稳构成的叠合效应。
摘要第2-3页
ABSTRACT第3-4页
1 绪论第7-19页
    1.1 选题的背景和研究意义第7-10页
        1.1.1 选题背景第7-9页
        1.1.2 研究意义第9-10页
    1.2 国内外研究现状第10-17页
        1.2.1 矿山压力理论研究现状第10-12页
        1.2.2 浅埋煤层国内外研究现状第12-15页
        1.2.3 大采高覆岩结构研究现状第15-17页
    1.3 研究内容及技术路线第17-19页
2 浅埋煤层大采高开采矿压显现规律第19-32页
    2.1 张家峁采高 6m 工作面矿压显现规律第19-23页
        2.1.1 15201 工作面概况第19-20页
        2.1.2 矿压观测方法第20页
        2.1.3 初次来压第20-21页
        2.1.4 周期来压第21-23页
    2.2 纳林庙采高 6m 综采工作面矿压显现规律第23-29页
        2.2.1 62105 工作面概况第23-24页
        2.2.2 矿压观测方法第24-25页
        2.2.3 初次来压第25-26页
        2.2.4 周期来压第26-29页
    2.3 浅埋煤层大采高综采工作面矿压特征第29-31页
    2.4 本章小结第31-32页
3 浅埋煤层大采高覆岩破坏物理相似模拟第32-46页
    3.1 相似模拟实验第32-35页
        3.1.1 实验目的第32页
        3.1.2 实验设计第32-35页
    3.2 采高 5m 模拟实验结果及分析第35-38页
    3.3 采高 7m 顶板破断过程及破断特征第38-39页
    3.4 采高 4m、5m、6m、7m 模拟实验结果及分析第39-45页
        3.4.1 顶板破断过程及破断特征第39-42页
        3.4.2 冒落带随采高的变化第42-43页
        3.4.3 下位关键层铰接点上移规律第43-45页
    3.5 本章小结第45-46页
4 浅埋煤层大采高覆岩结构数值模拟研究第46-57页
    4.1 UDEC 数值模拟软件简介及特点第46-47页
        4.1.1 UDEC 简介第46页
        4.1.2 UDEC 特点第46-47页
    4.2 数值模拟建立第47-48页
    4.3 数值模拟实验结果及分析第48-56页
        4.3.1 采高 3m 数值模拟分析第48-52页
        4.3.2 采高 6m 数值模拟分析第52-56页
    4.4 本章小结第56-57页
5 浅埋煤层大采高覆岩结构模型第57-67页
    5.1 采场上覆岩层结构特征第57页
    5.2 周期来压覆岩结构第57-62页
        5.2.1 下位关键块受力分析第58-59页
        5.2.2 下位关键层结构的滑落失稳第59-62页
    5.3 直接顶厚度对滑落失稳的影响第62-63页
    5.4 采高对浅埋煤层大采高覆岩结构稳定性的影响第63-64页
    5.5 上位关键层对下位关键层的影响第64-66页
    5.6 本章小结第66-67页
6 结论第67-68页
致谢第68-69页
参考文献第69-73页
附录第73页
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