顶板垮落法短壁连采顶板控制

传统的房柱式短壁开采方法以留煤柱支撑上覆顶板，存在着资源浪费量大的严重问题，因此研究不留煤柱的顶板全垮落法短壁连采技术对提高煤炭资源回收率、实现特殊条件下的边角煤安全高效开采具有重要的意义，此技术研究与应用在国内尚属首次。采用顶板全垮落法的短壁连采技术，需要对覆岩顶板的运动规律进行系统研究，分析顶板岩层结构以及对工作面矿压显现有明显影响的岩层运动规律，包括其极限运动步距以及极限悬顶面积。因此本文采用理论分析、实验室相似材料物理模拟、计算机数值模拟结合现场实测的方法对全垮落法短壁连采覆岩组合动态运动规律及关键技术进行了系统研究。

第1章研究概述1
1.1研究背景1
1.1.1神东矿区短壁连采顶板控制发展阶段1
1.1.2全垮落法短壁连采需解决的主要问题2
1.2研究内容3
1.3研究方法与技术路线3
第2章榆家梁42209顶板全垮落法短壁连采顶板控制5
2.1监测目的和内容5
2.1.1监测目的5
2.1.2监测内容5
2.1.3监测人员与时间7
2.2试验区域概况和监测方案8
2.2.1现场试验条件8
2.2.2监测方案10
2.2.3监测工作统计11
2.3顶板运动及其控制实践12
2.3.1顶板运动规律12
2.3.2极限回采面积31
2.3.3回采方案优化34
2.3.4顶板控制技术35
2.3.5回采率分析38
2.4本章小结38
第3章短壁连采顶板运动与极限面积理论计算40
3.1神东矿区短壁连采采场覆岩分类40
3.1.1单一复合关键层结构——厚冲积层薄基岩48
3.1.2多层关键层结构——薄冲积层厚基岩49
3.1.3含有复合关键层的多层关键层结构——厚冲积层厚基岩49
3.2短壁连采采场的关键层判别50
3.2.1短壁连采采场的关键层位置判别51
3.2.2短壁采场单一组合关键层结构形成条件、判别以及载荷和极限面积53
3.2.3含有复合关键层的多层关键层判别55
3.3单一复合关键层(两关键层)结构顶板运动及控制56
3.3.1榆家梁矿42209短壁连采工作面概况56
3.3.2榆家梁矿42209短壁连采工作面上覆关键层结构57
3.3.3强放以后的顶板运动规律60
3.3.4单一复合关键层结构短壁连采顶板控制措施61
3.4薄表土层多关键层结构顶板运动及控制61
3.4.1上湾矿51203CL短壁连采概况62
3.4.2上湾矿51203CL短壁连采工作面上覆关键层结构65
3.4.3上湾强放后的顶板极限悬顶面积计算66
3.4.4薄表土层多层关键层结构短壁连采顶板控制措施66
3.5厚表土层多关键层结构顶板运动及控制67
3.5.1大柳塔煤矿12406-3切眼外侧旺采区概况67
3.5.2大柳塔煤矿12406-3切眼外侧旺采上覆关键层结构68
3.5.3厚表土层多层关键层结构短壁连采顶板控制措施70
3.6三角形、梯形短壁连采块段顶板极限悬顶面积计算70
3.6.1三角形顶板极限悬顶面积72
3.6.2梯形顶板极限悬顶面积计算72
3.6.3计算实例——榆家梁42213短壁连采块段73
3.7本章小结81
第4章短壁连采覆岩运动与应力分布数值模拟82
4.1数值仿真原理82
4.1.1FLAC3D程序计算方法82
4.1.2FLAC3D基本功能和特征83
4.1.3软件的优点83
4.1.4五种计算模式84
4.1.5多种结构形式84
4.1.6强大的前后处理功能85
4.2采场数值建模85
4.2.1弹性阶段86
4.2.2塑性阶段86
4.3模拟方案87
4.3.1模拟方案87
4.3.2主要研究内容89
4.4模拟结果分析89
4.4.1方案Ⅰ——切块后退式89
4.4.2方案Ⅱ——切块前进式102
4.4.3方案Ⅲ——支巷后退式107
4.5本章小结117
第5章短壁连采覆岩组合运移规律相似材料模拟研究119
5.1相似材料模拟实验目的119
5.2相似材料模拟实验原理120
5.2.1几何相似120
5.2.2容重及强度相似120
5.2.3初始动力状态相似120
5.2.4边界条件相似121
5.2.5时间相似常数121
5.3实验模型设计121
5.3.1相似参数的确定121
5.3.2相似材料配比122
5.3.3模型监测设计123
5.3.4模型制作124
5.4短壁连采覆岩组合运动规律与支承压力分布125
5.4.1工作面开挖初期阶段126
5.4.2直接顶初次冒落阶段128
5.4.3覆岩关键层组合初次断裂阶段129
5.4.4顶板周期来压阶段131
5.4.5综合结果分析131
5.5本章小结132
第6章通风与安全133
6.1通风风路畅通性133
6.1.142209工作面通风概况133
6.1.2通风通道133
6.2现场实测研究134
6.2.1通风监测布置方案134
6.2.2监测结果分析135
6.2.3采空区自燃发火危险性分析136
6.2.4采空区温度变化139
6.3采空区瓦斯运移规律数值模拟140
6.3.1模拟软件ANSYSCFD/CFX140
6.3.2模拟结果分析141
6.4采硐通风安全分析144
6.4.1采硐内气体成分实测144
6.4.2硐口硐底风流流动144
6.4.3煤机司机位置146
6.4.4神东多年安全实践147
6.5本章小结148
第7章全垮落法短壁连采安全评价149
7.1顶板控制的安全性评价149
7.1.1评价因素及评分标准149
7.1.242209工作面的各评价因素分值152
7.1.3顶板全垮落法短壁连采工作面顶板安全评价153
7.1.4顶板全垮落法短壁连采顶板条件分析154
7.2通风安全评价154
7.2.1评价原理154
7.2.2主要影响因素分析及评价函数建立155
7.2.3通风安全评价及适用条件159
7.3本章小结159
第8章主要研究结论161
8.1顶板控制方面161
8.2通风安全方面162
主要参考文献163