基本信息
- 項目名稱：
- 淺埋煤層上覆厚沙土層的載荷傳遞規(guī)律模擬研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本論文依托黃慶享教授承擔的國家自然科學基金項目。通過對神東礦區(qū)幾個工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與地表塌陷過程實測資料的分析，總結(jié)了淺埋煤層上覆厚沙土層破壞引起的載荷傳遞效應及載荷傳遞的動態(tài)特征。開發(fā)了相似模型中埋設的測塊，應用動態(tài)載荷智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測定了采動厚沙土層在關鍵層及其結(jié)構(gòu)上的動態(tài)載荷傳遞規(guī)律和載荷分布規(guī)律。通過實例分析，驗證了研究結(jié)論。
- 詳細介紹：
- 主要目的： （1）研究淺埋煤層厚沙土層隨工作面推進在初次來壓、周期來壓、充分采動期間的覆巖裂縫發(fā)展規(guī)律，揭示載荷傳遞的結(jié)構(gòu)特征 （2）測定在開挖過程中淺埋煤層頂板關鍵層及其結(jié)構(gòu)關鍵塊的動態(tài)載荷分布，揭示載荷傳遞規(guī)律。 背景： 煤炭作為我國的主要能源，在國民經(jīng)濟建設中具有重要的戰(zhàn)略地位。煤炭工業(yè)是我國重要的基礎產(chǎn)業(yè)。長期以來，煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費構(gòu)成中均占2/3 以上。根據(jù)國家計委近期的研究預測， 2015年不會低于55﹪，2050 年也將不低于50﹪。西部煤田中相當一部分在開發(fā)初期主要開采距地表較淺的淺部煤層，最典型的是神府、東勝煤田。神府、東勝煤田探明儲量2236 億噸,占全國探明儲量的1/3，相當于70個大同、160個開灤，是我國目前探明儲量最大的煤田，該煤田與美國的阿巴拉契亞煤田、德國的魯爾煤田等被稱為世界七大煤田。神東礦區(qū)目前及今后相當一段時期內(nèi)，各礦開采區(qū)域大部分集中于埋深在100 m 以內(nèi)的淺部。神東礦區(qū)煤層賦存的突出特點是埋藏淺（150 m 以內(nèi)）、頂板基巖?。?0 m左右）、地表為厚風積沙覆蓋層，屬于典型的淺埋煤層。開采實踐表明，主要存在兩大巖層控制問題，其一是頂板垮落直達地表，形成切落式破壞，頂板壓力劇烈，工作面頂板失控而形成的臺階下沉達到1000 mm，造成支護設備壓毀，工作面停產(chǎn)等事故，出現(xiàn)了嚴重的頂板災害；其二，開采地表塌陷形成大量地表地塹和裂縫，造成地表水資源流失嚴重，加劇了地表荒漠化。黃慶享教授在《淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究》中，建立了淺埋煤層開采的頂板結(jié)構(gòu)理論，對老頂關鍵塊上的厚松散沙土層載荷是按靜態(tài)近似處理的，該著作中首次提出了載荷傳遞的概念，為本次實驗研究指明了方向。現(xiàn)場實踐表明，厚沙土層的破壞是動態(tài)的，頂板關鍵層上載荷有一個傳遞過程。因此，黃慶享教授進一步申報并主持了國家自然基金項目“淺埋煤層頂板沙土層載荷傳遞與關鍵層動態(tài)結(jié)構(gòu)理論”。本論文結(jié)合參與的國家自然科學基金項目實驗，研究了厚松散層的典型淺埋煤層在開采過程中厚沙土層的破壞及載荷傳遞過程，揭示了淺埋煤層厚沙土層破壞特征和載荷傳遞機理，測定了老頂關鍵塊上的動態(tài)載荷分布，為建立頂板結(jié)構(gòu)的動態(tài)理論提供了基礎。 通過相似模擬實驗，得出了厚沙土層初次來壓期間的“拱狀”、周期來壓期間的“拱殼狀”、臨界充分采動的“拱梁狀”、充分采動后的“弧形巖柱”及“弧形巖柱”內(nèi)的二次“卸荷拱”的破壞特征。 本文以淺埋煤層關鍵層結(jié)構(gòu)理論為基礎，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的實際情況，開發(fā)了動態(tài)載荷智能模擬系統(tǒng)，通過做相似模擬實驗，對淺埋煤層上覆厚沙土層的破壞規(guī)律，以及作用在老頂結(jié)構(gòu)關鍵塊上的動態(tài)載荷進行了研究并且設計了厚沙土層動態(tài)載荷傳遞的測定方案，在分析結(jié)構(gòu)模型中A、B、C 三個關鍵結(jié)構(gòu)塊上的載荷分布中，得出如下結(jié)論： （1）、通過動態(tài)載荷相似模擬研究，發(fā)現(xiàn)了淺埋煤層上覆厚沙土層的主要破壞特征： ①初次來壓期間的“拱狀”破壞；②初采階段的周期性“拱殼”式破壞；③臨界充分采動的“梁拱”破壞；④充分采動后的“弧形巖柱”破壞；⑤“弧形巖柱”內(nèi)的二次“卸荷拱”破壞。 （2）、通過在相似模型動態(tài)載荷智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得出厚沙土層的載荷在結(jié)構(gòu)關鍵塊上的分布規(guī)律： ①關鍵層載荷的總體分布主要呈現(xiàn)為工作面前方的載荷增高區(qū)，工作面上方的載荷降低區(qū)，動態(tài)載荷傳遞區(qū)，工作面后方的載荷恢復區(qū)。②在典型狀態(tài)下，A關鍵塊位于載荷增高區(qū)，B關鍵塊位于載荷降低區(qū)，C關鍵塊位于載荷恢復區(qū)。B關鍵塊的下沉運動是造成載荷降低的根本原因。③B關鍵塊上的典型載荷分布為中部大兩端小的形態(tài)，載荷作用點基本在塊體中部；A關鍵塊在載荷分布為非對稱分布，載荷作用點靠近煤壁；C關鍵塊的的載荷基本上達到原巖應力，載荷作用點在靠采空區(qū)側(cè)。④B關鍵塊具有明顯的載荷傳遞效應（時效性），載荷的快速下降在短時間內(nèi)完成，總體在30分鐘內(nèi)，載荷下降達到55%，表現(xiàn)出明顯的動態(tài)載荷特點。頂板支護應當充分考慮頂板的這一特性，實現(xiàn)可縮讓壓而避開來壓的峰值，頂板支護強度設計應當以頂板卸壓后的參數(shù)為基礎。 （3）、根據(jù)厚沙土層在周期來壓期間“弧形巖柱”的破壞特征，進一步揭示了其破壞機理，對地表受拉裂縫位置進行了定量描述，并詳細闡述了厚沙土層的“二次卸荷”破壞中的“二次成拱”現(xiàn)象，而此現(xiàn)象是造成B關鍵塊出現(xiàn)載荷傳遞的根本原因，同時它也是確定B關鍵塊載荷的計算依據(jù)。 在采場的頂?shù)装蹇刂疲d荷傳遞的計算，支架的選型，保護生態(tài)以及綠色開采做出了巨大的貢獻。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 針對于陜北淺埋煤層開采的礦壓顯現(xiàn)存在的問題，以神東礦區(qū)大柳塔煤礦1203工作面為原型，進行了相似模擬實驗并且開發(fā)了智能數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，通過實驗分析了頂板關鍵層動態(tài)載荷總體分布規(guī)律和頂板關鍵塊結(jié)構(gòu)的動態(tài)載荷分布規(guī)律，為合理的選擇支架，建立頂板動態(tài)結(jié)構(gòu)理論以及進行頂板控制提供科學的理論依據(jù)。
科學性、先進性及獨特之處
- 神東礦區(qū)賦存著大量的淺埋煤層。本作品首次開發(fā)利用智能數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，輔以礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，獲得了關鍵層載荷傳遞及關鍵塊上覆載荷分布的規(guī)律，這在目前處于領先地位。客觀地講，作品研究思路和方法在國際范圍內(nèi)均具有獨特地位。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 通過動態(tài)載荷傳遞相似模擬實驗方法，得出了工作面頂板關鍵層動態(tài)載荷分布總體規(guī)律，揭示了厚沙土層下淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)關鍵塊上的動態(tài)載荷傳遞規(guī)律，為支架選型和建立頂板動態(tài)結(jié)構(gòu)理論以及煤炭的綠色開采奠定了基礎。
學術論文摘要
- 神東礦區(qū)煤層賦存的突出特點是埋藏淺（150 m 以內(nèi)）、頂板基巖薄（50 m左右）、地表為厚風積沙覆蓋層，屬于典型的淺埋煤層。開采實踐表明，主要存在兩大巖層控制問題，其一是頂板垮落直達地表，形成切落式破壞，頂板壓力劇烈，工作面頂板失控而形成的臺階下沉達到1000 mm，造成支護設備壓毀，工作面停產(chǎn)等事故，出現(xiàn)了嚴重的頂板災害；其二，開采地表塌陷形成大量地表地塹和裂縫，造成地表水資源流失嚴重，加劇了地表荒漠化。通過對神東礦區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與地表塌陷過程實測資料的分析，總結(jié)了淺埋煤層上覆厚沙土層破壞引起的載荷傳遞效應及載荷傳遞的動態(tài)特征。通過相似模擬實驗，得出了厚沙土層初次來壓期間的“拱狀”、周期來壓期間的“拱殼狀”、臨界充分采動的“拱梁狀”、充分采動后的“弧形巖柱”及“弧形巖柱”內(nèi)的二次“卸荷拱”的破壞特征。開發(fā)了相似模型中埋設的測塊，應用動態(tài)載荷智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測定了采動厚沙土層在關鍵層及其結(jié)構(gòu)上的動態(tài)載荷傳遞規(guī)律和載荷分布規(guī)律。揭示了淺埋煤層厚沙土層破壞特征和載荷傳遞機理，為建立頂板結(jié)構(gòu)的動態(tài)理論提供了基礎。
獲獎情況
- 作品的理論基礎是“淺埋煤層周期來壓結(jié)構(gòu)分析”，被列為《煤炭學報》創(chuàng)刊以來引用率最高的百篇論文第22位，并且作為“巖層控制的關鍵層理論”的組成部分，獲得了2002年度教育部自然科學一等獎。相關研究論文“淺埋煤層地表厚砂土層‘拱梁’結(jié)構(gòu)模型研究”發(fā)表在《巖土力學》2009（9），并被EI收錄。砂土層的裂隙分布特征及載荷傳遞規(guī)律研究，作為“陜北生態(tài)脆弱礦區(qū)煤水地質(zhì)特征及科學開采研究”的組成部分，獲得2010年度陜西省科技進步一等獎。
鑒定結(jié)果
- 獲得國家自然科學基金項目，通過國家自然科學基金委的驗收，評價達到國際先進水平。作為“陜北生態(tài)脆弱礦區(qū)煤水地質(zhì)特征及科學開采研究”的組成部分，該項目2009年通過陜西省科技廳鑒定，達到國際領先水平。
參考文獻
- [1] 我國煤炭工業(yè)“十五”規(guī)劃[J].煤炭經(jīng)濟研究，2001(7):4-9 [2] 黃慶享.神府淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J].巖石力學與工程學報，2002, 21(8):1174-1177. [3]黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2000 [4]黃慶享，劉文崗，張沛，馬德梅. 動載荷智能數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)開發(fā)及其應用. 西安科技大學學報.2004,24(4):402-405. [5]黃慶享,錢鳴高,石平五.淺埋煤層頂板周期來壓結(jié)構(gòu)分析[J].煤炭學報,1999, 24(6): 581-585. [6]許惠德，馬金榮，姜振泉. 土質(zhì)學及土力學[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1995, 246 [7]楊桂通. 土動力學[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社，2000.10 [8]錢鳴高，繆協(xié)興, 何富連. 采場“砌體梁”結(jié)構(gòu)的關鍵塊分析[J]. 煤炭學報，1994，19(6)：557～563 [9]錢鳴高，繆協(xié)興，許家林等. 巖層控制的關鍵層理論[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2000，35～59
同類課題研究水平概述
- 自80年代后期至今，錢鳴高院士提出的砌體梁理論已得到的廣泛應用，并在實踐中不斷的完善和發(fā)展。進入90年代后，研究又取得了重大的突破，給出了砌體梁結(jié)構(gòu)受力的理論解和巖層內(nèi)部移動曲線定量解；建立了砌體梁關鍵塊體的“S—R”穩(wěn)定理論；證明了頂板下沉與支架載荷的P—ΔL 雙曲線關系；建立了采場礦山壓力整體力學模型，闡明了支架受力來源問題形成了巖層控制的關鍵層理論，黃慶享教授將關鍵層理論運用到淺埋煤層頂板控制中，建立了淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)及巖層控制理論，豐富了巖層控制關鍵層理論。80年代至今，西安科技大學的專家學者對神東礦區(qū)的不同礦井進行大量的調(diào)查研究和探索，首先提出了淺埋煤層的概念，形成了淺埋煤層長壁開采頂板結(jié)構(gòu)理論、淺埋煤層組合關鍵層理論和神東礦區(qū)淺埋開采涌水、潰沙預防治理對策研究等多項科研成果，并已對神東礦區(qū)水土流失展開了研究工作。國內(nèi)對于涉及淺埋煤層上覆厚沙土層破壞機理的研究很少。經(jīng)過不同專家教授的探索與研究，對于淺埋煤層的研究，頂板結(jié)構(gòu)理論的基本體系已經(jīng)形成，但淺埋煤層上覆厚沙土層采動載荷傳遞機理及頂板動態(tài)結(jié)構(gòu)理論還需要進一步研究和完善。 關于厚沙土層下淺埋煤層頂板控制的研究，國外較早的有前蘇聯(lián)M.秦巴列維奇的假說。該假說認為當煤層埋藏較淺時，上覆巖層可視為均質(zhì)。在淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)方面，前蘇聯(lián)B.B.布德雷克于1981年就莫斯科近郊煤田礦山壓力研究后指出：在埋深100 m 且存在厚粘土層條件下，放頂時支架出現(xiàn)動載現(xiàn)象，約12﹪的采區(qū)煤柱出現(xiàn)動載現(xiàn)象。說明淺埋煤層頂板來壓迅猛，與普通采場頂板逐次垮落失穩(wěn)形成的緩和來壓有明顯的區(qū)別。80年代初，澳大利亞B.霍勃爾瓦依特博士等對新南威爾士安谷斯坡來斯煤礦淺埋長壁開采的一些礦壓現(xiàn)象進行實測，發(fā)現(xiàn)地表最大下沉量為采高的60﹪，最大下沉量的85﹪發(fā)生于距工作面40 m 的范圍內(nèi)。英國和美國為控制淺部開采地表沉陷，多采用房柱式開采。有些南美國家也因缺乏有關技術而未能采用長壁開采，主要開展了房柱式開采地表沉陷預計和煤柱載荷確定的研究工作。綜上所述，國外研究總體上認為淺埋開采頂板破斷直接影響到地表，頂板破斷角大，地表下沉速度快，來壓明顯且難以控制。然而，國外文獻中僅對長壁開采的一些礦壓現(xiàn)象進行了描述，沒有對淺埋煤層頂板理論進行系統(tǒng)的研究，更沒對上覆厚沙土層的破壞機理進行研究。
