殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論及應(yīng)用

1、殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論及應(yīng)用    我國對煤炭需求增長的無限性與資源的有限性這一矛盾日趨突出,而新生替代能源目前還不能取代煤炭的主體能源地位。因此必須節(jié)約煤炭資源,提高資源回收率。現(xiàn)有生產(chǎn)礦區(qū)(井)中,很多采空區(qū)上方遺棄有大面積的可采煤層?？茖W(xué)合理的回收這部分煤層對于建設(shè)節(jié)約型社會和促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義?；厥詹煽諈^(qū)上方遺棄煤層實質(zhì)上是殘采區(qū)上行開采。通常煤層開采在頂板巖層中形成的破壞擾動區(qū)遠(yuǎn)大于在底板巖層中形成的破壞擾動區(qū),因此,為減小本煤層開采對臨近煤層的擾動,生產(chǎn)實際中幾乎全部采用下行開采方式,與此相應(yīng)人們所開展的理論技術(shù)研究也多

2、針對下行開采領(lǐng)域。僅有的上行開采的相關(guān)研究,也多集中在以層間距為核心的僅考慮下部煤層開采影響的經(jīng)驗的可行性判定方法、礦壓觀測分析等方面,而事實上上行開采的核心問題是上、下煤層開采共同影響作用下上部煤層底板的移動變形規(guī)律,其移動變形規(guī)律又取決于層間巖層結(jié)構(gòu)。因此,進行殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)及其上部煤層底板移動變形規(guī)律的研究,才能深入奠定殘采區(qū)上行開采的理論基礎(chǔ),對于進一步促進上行開采技術(shù)的發(fā)展和高效回收歷史棄采煤層,有著重要的理論意義與指導(dǎo)價值。本文從殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)及其上部煤層底板移動變形規(guī)律入手,通過實驗研究、理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場實測以及工業(yè)試驗相結(jié)合的方法,對殘采區(qū)上行開

3、采的層間巖層結(jié)構(gòu)、可行性判定理論及方法、上部煤層底板移動變形規(guī)律和殘采區(qū)上行開采礦壓控制技術(shù)進行了系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)針對殘采區(qū)上行開采,分垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采兩種情況,通過相似模擬實驗進行了層間巖層結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和層間巖層移動變形規(guī)律的研究。研究發(fā)現(xiàn):殘采區(qū)上行開采層間巖層存在控制層,其中垮落法殘采區(qū)上行開采層間巖層破斷后由于剪脹效應(yīng)其破斷塊體之間排列整齊、相互擠壓形成塊體梁半拱結(jié)構(gòu),其半拱部分位于采空區(qū)上方四周,為面面接觸的塊體擠壓結(jié)構(gòu),其軸線(即力的傳遞作用線)為一曲線;該結(jié)構(gòu)的塊體梁部分即采空區(qū)上方中部斷裂塊體相互擠壓形成的雖有裂隙

4、卻不失整體性的類梁結(jié)構(gòu)。其上方巖層保持較好的完整性和宏觀連續(xù)性,呈現(xiàn)典型的梁、板結(jié)構(gòu)。就下沉移動量而言,同一巖層中下沉移動量最大的點位于下部采空區(qū)中心附近上方,其兩側(cè)點位的下沉量隨著偏離中心距離的增大而減小。其破斷冒落巖層最終形成典型的“變形盆地”,而上方未冒落巖層的下沉曲線會形成局部盆地的波浪狀。層間巖層的下位堅硬巖層易成為層間巖層的控制層。對于刀柱式殘采區(qū)上行開采,煤柱承擔(dān)上部巖層載荷出現(xiàn)不均衡性“強柱弱載”和“強載弱柱”,即承載能力弱的煤柱承受巖梁載荷強,而承載能力強的煤柱承受巖梁載荷弱,巖層破斷的原因是弱煤柱先壓縮變形剪破壞,而強柱端的巖梁產(chǎn)生拉破壞,巖梁斷裂垮冒,最終形成冒落帶,上方

5、未斷裂的巖層基本沒有裂隙的產(chǎn)生,保持原完整連續(xù)的狀態(tài),其作為層間巖層控制層,呈現(xiàn)典型的梁、板結(jié)構(gòu)。(2)在相似模擬實驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合巖石力學(xué)、塊體理論、彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論,分析并獲得了下部煤層開采對層間巖層的損傷影響范圍,分別建立了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采層間巖層結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型,并分別進行了詳細(xì)的力學(xué)解析,分析了垮落法殘采區(qū)上行開采和刀柱式殘采區(qū)上行開采的機理,同時用數(shù)值模擬的方法進行了驗證。(3)針對殘采區(qū)上行開采的層間巖層,通過理論推演的方法研究了上部煤層開采的采動及其擴散影響,分析了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采層間巖層的穩(wěn)定性,進而基于結(jié)構(gòu)的理論分別提出了垮落法殘

6、采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采的可行性定量判定方法,并通過現(xiàn)場試用,對該理論及技術(shù)的科學(xué)合理性與客觀適用性進行了驗證。(4)通過現(xiàn)場實測的方法,對殘采區(qū)上行開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明:殘采區(qū)上行開采由于受下部煤層開采的損傷影響,上部煤層圍巖整體性會有不同程度的弱化,在上部煤層開采前已把上覆巖層的自重及其載荷部分傳遞給采空區(qū)范圍以外的煤巖體,起到了卸壓的作用,殘采區(qū)上行開采的礦壓顯現(xiàn)不劇烈,周期來壓步距不大。同時,引入概率積分法,對殘采區(qū)上行開采上部煤層底板移動變形情況進行了預(yù)測分析,與現(xiàn)場實測的結(jié)果進行了比較分析對照,研究了殘采區(qū)上行開采上部煤層底板移動變形規(guī)律。(5)用數(shù)值模擬和理論

7、分析相結(jié)合的方法,分析了殘采區(qū)上行開采上部煤層底板移動變形的力學(xué)特性,在此基礎(chǔ)上分別建立了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采上煤底板巖層運移的力學(xué)模型,通過力學(xué)求解,獲得了垮落法殘采區(qū)和刀柱式殘采區(qū)上行開采上煤底板巖層運移規(guī)律的預(yù)測模型。(6)在上述理論研究、實驗研究與現(xiàn)場實測研究的基礎(chǔ)上,形成了殘采區(qū)上行開采的理論與技術(shù),在山西焦煤西山煤電集團白家莊煤礦進行了試驗及工業(yè)實施,成功解決了白家莊煤礦8號煤層采空區(qū)上方6號煤層回收的技術(shù)難題,取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益與環(huán)境、社會效益。該技術(shù)在理論上是科學(xué)的、技術(shù)上是可行的。為殘采區(qū)上行開采提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。同主題文章1. 

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