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巨厚关键层下采动岩体应力调控防灾技术探讨

日期:2024年06月19日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:73
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202406041106241642 论文字数:38666 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本文以海孜煤矿Ⅱ1026工作面机巷掘进过程中煤与瓦斯突出事故为研究背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,对巨厚火成岩下突出巷道动力灾害致因及防治进行研究。

1 绪论

1.1 选题背景及意义

我国现有的能源结构是“富煤、贫油、少气”,这意味着在未来几十年中,煤炭仍将是我国的主要能源之一。作为被誉为“工业粮食”的主要能源供应材料,煤炭的重要性不言而喻。我国是煤炭消费和生产大国,煤炭的需求量预计至2030年仍将超过38亿吨,保持主导地位[1]。虽然我国已探明的煤炭资源储量为5.57万亿吨,但只有一半以上的可开采煤炭资源储量位于1000m以下[2]。从煤炭在我国能源生产和消费总量中的统计数据来看,煤炭工业是关系国民经济和能源安全的重要基础产业。尽管煤炭在我国能源生产结构中的比重不断降低,但在今后相当长的时间里,煤炭仍将是我国能源的主体。根据国家统计局的数据显示,我国在2021年对标准煤炭的能源消耗量达到52.4亿吨,相比于十年前增长近30.4%,成为提高国内生产总值不可或缺的一部分,支撑了年均6.6%的 GDP增速。虽然煤炭占能源消费总量的比重降低到56.0%,但其消费量年均增长0.3%。在“十四五”时期,我国将迈入伟大民族复兴的历史性阶段,也是煤炭向清洁化转型的重要时期,这是国家实现全面小康社会、迈向社会主义现代化强国的关键时期。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤与瓦斯突出机理研究

煤与瓦斯突出是全球范围内备受关注的一种极度危险的煤矿事故。为了研究这种事故,全球各地的学者采用了多种方法,包括现场观察突出事故案例、统计分析事故后数据、实验室建立模型进行模拟,以及使用计算机软件进行辅助模拟等。这些方法促进了学者们提出多种假设,主要包括瓦斯作用、煤层地应力作用、化学本质、以及综合作用等假说[15-17]。不难看出,前面所论述的假说都是以在单一因素的作用假设,但是随着研究的不断深入,综合作用假说逐渐成为主流。

(1) 瓦斯作用假说

煤与瓦斯突出最主要的因素通常被认为是煤体内部瓦斯压力导致的,这种说法后来被学者们成为瓦斯作用假说,随着众多学者的深入研究,这种假说被分为了多种不同现象,包括瓦斯包和闭合孔隙瓦斯释放、突出波、瓦斯膨胀、瓦斯水化等假说。其中,瓦斯水化假说则主张突出是由于煤体内部存在固态的瓦斯水化物,煤体被采动作用影响时,内部化学平衡被打破,固体迅速气化导致。煤体本身具有吸附的特性,正是这种特性导致煤体膨胀变形和煤体应力增大,工作面开采时,原有应力平衡被破坏,引发突出事故。瓦斯包假说主张煤体内部存在多孔裂隙结构,其内部压力远大于其他区域,采动作业过程中很容易打破它,引发煤与瓦斯突出事故。突出波假说认为突出波的产生是由于煤体内部瓦斯的膨胀造成,煤体在采动过程中持续破坏,最后导致突出的发生。闭合孔隙瓦斯释放假说提出煤体内部闭合裂隙瓦斯存在压力差,动力作用下极易造成煤体破坏,瓦斯喷涌致使发生突出。

(2)地应力作用假说

学者研究发现,煤层开采过层中能否控制好地应力是防治煤与瓦斯突出的重要环节,因此提出了地应力作用假说。该假说最早是由Loiret提出,他指出煤与瓦斯突出的动力主要是地应力的造成的。在之后的研究中学者们先后提出了应力叠加、应力集中、岩石变形潜能等假说,这些假说都主张地应力是造成煤与瓦斯突出的最为关键的因素之一。岩石变形潜能说认为在煤层开采过程中或者是煤层所处的地质构造条件都会导致煤岩变形破坏,煤体中存储的弹性能在极端 时间内迅速释放和降低,从而导致煤与瓦斯突出。集中应力说的学者认为煤层原始地应力被打破,煤体应力开始向深部转移,造成了集中应力的产生,从而引发煤与瓦斯突出。

2 巨厚关键层下采动岩体应力分布规律研究

2.1 试验矿井地质条件及工程灾害情况

2.1.1 地质赋存条件

淮北矿业集团海孜煤矿位于安徽省淮北市濉溪县境内,属淮北煤田临海童矿区,根据区域地质资料及邻区同源岩浆岩同位素年龄的测定结果,海孜井田岩浆活动发生在燕山早期,地壳深部的岩浆沿宿北断裂上涌并通过大刘家断层向井田侵入,侵入体为中性岩浆岩。

海孜煤矿矿井采用立井多水平开拓方式,第一水平标高-475m,回风水平标高-265m~-275m;第二水平标高-700m;第三水平标高-800m。煤系地层全为第四系、第三系松散层覆盖,松散层平均厚度240 m,煤系地层为石炭二迭系下统山西组,下石盒子组。海孜煤矿井田中、西部沿5煤层位侵入的巨厚火成岩,沿走向绵延6.5km,厚度分布稳定,在19勘探线以西厚度大于110m,钻孔揭露最大厚度169m。该层坚硬巨厚火成岩是影响海孜煤矿西翼采区煤层安全开采的关键因素,由于其单层厚度大、完整性强,被称为巨厚火成岩。由于巨厚火成岩的存在,10煤层为高瓦斯煤层,根据瓦斯治理的需要,采取上行开采方式,即先采10煤层,再采上部的中组煤,以解放突出危险性更大的中煤组. 

Ⅱ102采区走向长2000~2670 m,平均2340 m,倾斜宽280~900 m,平均700 m。10煤层厚度平均 2.5 m,倾角平均 18°,埋深 587 ~ 737 m。Ⅱ1022工作面回采范围走向长560m,倾向宽210m,采用一次性采全高。Ⅱ1024工作面走向长560m,倾向宽160m。

2.2 巨厚关键层承载特征的理论分析

2.2.1 模型简化及软件介绍

为简便计算,将海孜煤矿巨厚火成岩简化为均匀厚板模型。研究范围限定为采空区上部悬露岩体,将厚板边缘边界设定为固支边界。巨厚火成岩下部岩体垮落后存在一定离层空间,巨厚火成岩下部载荷为0。图2-3为简化后的岩体模型。 

模型计算分析采用课题组开发的《中厚板模型力学解算程序》,软件界面如图2-4所示。该软件可以计算出模型内部各点正应力以及剪应力数值大小,并生成数据曲面图。根据计算数值大小及火成岩抗拉强度对比分析,可以判定巨厚火成岩是否达到破断条件。在这里设定巨厚火成岩的埋深为270m(等效上覆载荷6.75MPa),泊松比为0.3,容重为2500kN/m3,抗拉强度为25MPa。

海孜煤矿102采区上方覆存一层120m厚的巨厚火成岩,在1022和1024工作面采完后,1026工作面机巷在掘进过程中发生了煤与瓦斯突出。为确定海孜煤矿102采区内煤与瓦斯突出灾害原因,综合分析采区地质开采条件,采用3DEC数值模拟软件研究在均厚120m火成岩下开采时的采动应力演化规律,设计两组方案(巨厚火成岩下开采以及弱化巨厚火成岩后开采)研究巨厚火成岩下的采动应力演化规律与致灾机理。

3 巨厚关键层采动应力下煤层内瓦斯运移规律数值模拟研究 .......... 29

3.1 弹性变形煤体气固耦合渗流模型 ........................ 29

3.2 模型建立 .............................. 33

3.3 火成岩应力对煤层瓦斯压力的影响 ........................ 34

4 巨厚关键层下墩柱充填调控应力分布工程实践 .............................. 46

4.1 墩柱注浆充填方案 ............................... 46

4.2 巨厚关键层下注浆充填防治工程灾害实践 ................... 52

4.3 本章小节 ................................ 54

5 结论 .............................. 55

4 巨厚关键层下墩柱充填调控应力分布工程实践

4.1 墩柱注浆充填方案

Ⅱ1022工作面与Ⅱ1024工作面开采结束后,火成岩并没有发生断裂、垮落;产生动力灾害的原因是煤层开采后火成岩下部岩层对火成岩的支承反力减少,造成采空区两侧煤体上的应力集中。所以,为了后续工作面的安全开采,需要首先保证老采空区对火成岩产生一定的支承反力,保证两侧煤体上的支承反力有所降低。经分析,可以采用的方案是对Ⅱ1022与Ⅱ1024工作面采空区进行墩柱充填。

研究表明:火成岩下部可注离层量相当可观。随着充填工作的继续进行,当离层区墩柱体凝固后,此时,采空区岩石和墩柱体形成的联合体开始对火成岩起支撑作用(图4-1所示),控制并减缓火成岩进一步的弯曲下沉,此时作用于周围煤体上的应力明显要降低;同时联合体起到了缓冲层的作用,能够吸收火成岩弯曲运动过程中释放的弹性能。经过离层带的充填作用,使采空区重新对火成岩产生支承反力,以保证火成岩处于平衡状态。

为展开海孜煤矿102采区巨厚关键层下墩柱充填调控应力分布可行性研究,在2.1节的研究基础上,继续增加两组实验方案,方案3和方案4(方案3:充填直径100m墩柱;充填直径50m墩柱),两方案均充填四个墩柱体,具体的方案实施如图4-2所示,以此来模拟巨厚火成火成岩及上火成岩层全部载荷能通过墩柱体往下传递到基岩层中去。

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5 结论

随着煤矿开采逐渐向深部进行,巨厚火成岩对煤体瓦斯运移的影响显著增强。巨厚关键层的破断会引起瓦斯运移通道、工作面支承应力的变化,诱发煤层瓦斯突涌,造成一系列的矿井动力灾害。本文以海孜煤矿Ⅱ1026工作面机巷掘进过程中煤与瓦斯突出事故为研究背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,对巨厚火成岩下突出巷道动力灾害致因及防治进行研究。主要研究结果如下:

(1)对Ⅱ102采区厚硬火成岩的物理力学性质进行了试验测试,理论分析了巨厚火成岩的应力分布特征,模拟研究了有无巨厚火成岩对煤层支撑应力的影响规律。得出火成岩单轴抗压强度为96.4MPa,抗拉强度7.9MPa,泊松比0.256,凝聚力17.2MPa,内摩擦角40.5°。102采区1024工作面采后巨厚火成岩底界面局部区