砚石台煤矿急倾斜俯伪斜上保护层开采保护范围研究

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随着煤矿开采向深部发展,矿井灾害不断加剧,煤与瓦斯突出已经严重影响了矿井的安全高效开采。保护层开采作为矿井多煤层开采防治煤与瓦斯突出最有效的区域性措施,其关键问题是保护范围的划定。由于现有保护范围的划定是根据《防治煤与瓦斯突出规定》的参考值来确定的,在实际生产中存在一定的局限性,特别是对于急倾斜煤层的开采,工作面采用俯伪斜采煤法,其卸压程度与直壁工作面存在一定差异,加之煤层埋深、地应力、煤层间距以及煤岩层物理力学特性等因素影响,使卸压保护范围的划定难度加大。对此,本文以南桐矿业有限责任公司砚石台煤矿急倾斜俯伪斜6#上保护层开采为研究对象,采用数值模拟分析和现场考察研究相结合的方法,研究了急倾斜俯伪斜上保护层开采保护范围的划定方法。根据保护层开采煤岩体变形与瓦斯流动的固气耦合作用,建立了采动煤岩体变形与瓦斯流动固气耦合数学模型,并进行急倾斜俯伪斜上保护层开采保护范围的数值模拟计算,最后结合现场考察研究,对比分析确定了砚石台煤矿急倾斜俯伪斜工作面上保护层开采保护范围的划定方法。论文的主要研究成果和结论有:①针对研究对象,建立了采动煤岩体变形场控制方程和瓦斯渗流场控制方程;引入采动煤岩体固气耦合变量,得到了采动煤岩体变形与瓦斯流动固气耦合数学模型;通过验证,证明了该数学模型的正确性。②通过砚石台煤矿4-6区急倾斜俯伪斜6#上保护层开采保护范围的数值模拟计算,得出了6#上保护层采煤工作面开采以后4#被保护层的瓦斯压力分布规律以及煤层移动变形规律;在此基础上,确定了上保护层开采保护范围的卸压角。数值计算结果表明:基于残余瓦斯压力判别准则得出的6#上保护层开采沿倾向上边界和下边界的卸压角分别为81.7°和78.9°,沿走向的卸压角为55.6°;基于煤层变形判别准则得到的6#上保护层开采沿倾向上边界和下边界的卸压角分别为80.4°和77.6°,沿走向的卸压角为53.2°;两种方法所得到的结果从数值及分布规律上看基本一致。③根据砚石台煤矿4-6区急倾斜俯伪斜6#上保护层开采保护范围的现场考察结果,得到了6#上保护层采煤工作面开采以后4#被保护层的煤层瓦斯压力、钻孔瓦斯流量和煤层透气性系数的变化规律,划定出了4#被保护层瓦斯动力参数变化呈现的“四带”分布范围。现场考察结果表明:6#上保护层开采沿工作面伪斜方向各处的走向保护范围的卸压角为47.1°~74.1°;沿工作面倾向上边界和下边界保护范围的卸压角分别为85.7°和79.5°;6#上保护层采煤工作面超前于4#被保护层掘进工作面的合理距离为114m。④对比分析现场考察结果及数值计算结果,二者所得到的卸压角在数值和分布规律上基本一致,由此说明本文采用的数值模拟计算分析方法来划定4#被保护层的有效卸压范围是合理可行的;同时,综合分析确定了砚石台煤矿4-6区急倾斜俯伪斜6#上保护层开采对4#被保护层保护范围的划定方法,其卸压角可以根据数值模拟结果以及现场考察结果来划定,即:6#上保护层开采沿走向保护范围的卸压角为53.2°~59.8°;沿倾向上边界保护范围的卸压角为80.4°~85.7°;沿倾向下边界保护范围的卸压角为77.6°~79.5°。
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