基本信息
- 项目名称：
- 浅埋煤层上覆厚沙土层的载荷传递规律模拟研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本论文依托黄庆享教授承担的国家自然科学基金项目。通过对神东矿区几个工作面矿压显现规律与地表塌陷过程实测资料的分析，总结了浅埋煤层上覆厚沙土层破坏引起的载荷传递效应及载荷传递的动态特征。开发了相似模型中埋设的测块，应用动态载荷智能数据采集系统，测定了采动厚沙土层在关键层及其结构上的动态载荷传递规律和载荷分布规律。通过实例分析，验证了研究结论。
- 详细介绍：
- 主要目的： （1）研究浅埋煤层厚沙土层随工作面推进在初次来压、周期来压、充分采动期间的覆岩裂缝发展规律，揭示载荷传递的结构特征 （2）测定在开挖过程中浅埋煤层顶板关键层及其结构关键块的动态载荷分布，揭示载荷传递规律。 背景： 煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。煤炭工业是我国重要的基础产业。长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费构成中均占2/3 以上。根据国家计委近期的研究预测， 2015年不会低于55﹪，2050 年也将不低于50﹪。西部煤田中相当一部分在开发初期主要开采距地表较浅的浅部煤层，最典型的是神府、东胜煤田。神府、东胜煤田探明储量2236 亿吨,占全国探明储量的1/3，相当于70个大同、160个开滦，是我国目前探明储量最大的煤田，该煤田与美国的阿巴拉契亚煤田、德国的鲁尔煤田等被称为世界七大煤田。神东矿区目前及今后相当一段时期内，各矿开采区域大部分集中于埋深在100 m 以内的浅部。神东矿区煤层赋存的突出特点是埋藏浅（150 m 以内）、顶板基岩薄（50 m左右）、地表为厚风积沙覆盖层，属于典型的浅埋煤层。开采实践表明，主要存在两大岩层控制问题，其一是顶板垮落直达地表，形成切落式破坏，顶板压力剧烈，工作面顶板失控而形成的台阶下沉达到1000 mm，造成支护设备压毁，工作面停产等事故，出现了严重的顶板灾害；其二，开采地表塌陷形成大量地表地堑和裂缝，造成地表水资源流失严重，加剧了地表荒漠化。黄庆享教授在《浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究》中，建立了浅埋煤层开采的顶板结构理论，对老顶关键块上的厚松散沙土层载荷是按静态近似处理的，该著作中首次提出了载荷传递的概念，为本次实验研究指明了方向。现场实践表明，厚沙土层的破坏是动态的，顶板关键层上载荷有一个传递过程。因此，黄庆享教授进一步申报并主持了国家自然基金项目“浅埋煤层顶板沙土层载荷传递与关键层动态结构理论”。本论文结合参与的国家自然科学基金项目实验，研究了厚松散层的典型浅埋煤层在开采过程中厚沙土层的破坏及载荷传递过程，揭示了浅埋煤层厚沙土层破坏特征和载荷传递机理，测定了老顶关键块上的动态载荷分布，为建立顶板结构的动态理论提供了基础。 通过相似模拟实验，得出了厚沙土层初次来压期间的“拱状”、周期来压期间的“拱壳状”、临界充分采动的“拱梁状”、充分采动后的“弧形岩柱”及“弧形岩柱”内的二次“卸荷拱”的破坏特征。 本文以浅埋煤层关键层结构理论为基础，结合现场调查的实际情况，开发了动态载荷智能模拟系统，通过做相似模拟实验，对浅埋煤层上覆厚沙土层的破坏规律，以及作用在老顶结构关键块上的动态载荷进行了研究并且设计了厚沙土层动态载荷传递的测定方案，在分析结构模型中A、B、C 三个关键结构块上的载荷分布中，得出如下结论： （1）、通过动态载荷相似模拟研究，发现了浅埋煤层上覆厚沙土层的主要破坏特征： ①初次来压期间的“拱状”破坏；②初采阶段的周期性“拱壳”式破坏；③临界充分采动的“梁拱”破坏；④充分采动后的“弧形岩柱”破坏；⑤“弧形岩柱”内的二次“卸荷拱”破坏。 （2）、通过在相似模型动态载荷智能数据采集系统，得出厚沙土层的载荷在结构关键块上的分布规律： ①关键层载荷的总体分布主要呈现为工作面前方的载荷增高区，工作面上方的载荷降低区，动态载荷传递区，工作面后方的载荷恢复区。②在典型状态下，A关键块位于载荷增高区，B关键块位于载荷降低区，C关键块位于载荷恢复区。B关键块的下沉运动是造成载荷降低的根本原因。③B关键块上的典型载荷分布为中部大两端小的形态，载荷作用点基本在块体中部；A关键块在载荷分布为非对称分布，载荷作用点靠近煤壁；C关键块的的载荷基本上达到原岩应力，载荷作用点在靠采空区侧。④B关键块具有明显的载荷传递效应（时效性），载荷的快速下降在短时间内完成，总体在30分钟内，载荷下降达到55%，表现出明显的动态载荷特点。顶板支护应当充分考虑顶板的这一特性，实现可缩让压而避开来压的峰值，顶板支护强度设计应当以顶板卸压后的参数为基础。 （3）、根据厚沙土层在周期来压期间“弧形岩柱”的破坏特征，进一步揭示了其破坏机理，对地表受拉裂缝位置进行了定量描述，并详细阐述了厚沙土层的“二次卸荷”破坏中的“二次成拱”现象，而此现象是造成B关键块出现载荷传递的根本原因，同时它也是确定B关键块载荷的计算依据。 在采场的顶底板控制，载荷传递的计算，支架的选型，保护生态以及绿色开采做出了巨大的贡献。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 针对于陕北浅埋煤层开采的矿压显现存在的问题，以神东矿区大柳塔煤矿1203工作面为原型，进行了相似模拟实验并且开发了智能数据实时采集系统，通过实验分析了顶板关键层动态载荷总体分布规律和顶板关键块结构的动态载荷分布规律，为合理的选择支架，建立顶板动态结构理论以及进行顶板控制提供科学的理论依据。
科学性、先进性及独特之处
- 神东矿区赋存着大量的浅埋煤层。本作品首次开发利用智能数据实时采集系统，辅以矿压显现规律，获得了关键层载荷传递及关键块上覆载荷分布的规律，这在目前处于领先地位。客观地讲，作品研究思路和方法在国际范围内均具有独特地位。
应用价值和现实意义
- 通过动态载荷传递相似模拟实验方法，得出了工作面顶板关键层动态载荷分布总体规律，揭示了厚沙土层下浅埋煤层顶板结构关键块上的动态载荷传递规律，为支架选型和建立顶板动态结构理论以及煤炭的绿色开采奠定了基础。
学术论文摘要
- 神东矿区煤层赋存的突出特点是埋藏浅（150 m 以内）、顶板基岩薄（50 m左右）、地表为厚风积沙覆盖层，属于典型的浅埋煤层。开采实践表明，主要存在两大岩层控制问题，其一是顶板垮落直达地表，形成切落式破坏，顶板压力剧烈，工作面顶板失控而形成的台阶下沉达到1000 mm，造成支护设备压毁，工作面停产等事故，出现了严重的顶板灾害；其二，开采地表塌陷形成大量地表地堑和裂缝，造成地表水资源流失严重，加剧了地表荒漠化。通过对神东矿区工作面矿压显现规律与地表塌陷过程实测资料的分析，总结了浅埋煤层上覆厚沙土层破坏引起的载荷传递效应及载荷传递的动态特征。通过相似模拟实验，得出了厚沙土层初次来压期间的“拱状”、周期来压期间的“拱壳状”、临界充分采动的“拱梁状”、充分采动后的“弧形岩柱”及“弧形岩柱”内的二次“卸荷拱”的破坏特征。开发了相似模型中埋设的测块，应用动态载荷智能数据采集系统，测定了采动厚沙土层在关键层及其结构上的动态载荷传递规律和载荷分布规律。揭示了浅埋煤层厚沙土层破坏特征和载荷传递机理，为建立顶板结构的动态理论提供了基础。
获奖情况
- 作品的理论基础是“浅埋煤层周期来压结构分析”，被列为《煤炭学报》创刊以来引用率最高的百篇论文第22位，并且作为“岩层控制的关键层理论”的组成部分，获得了2002年度教育部自然科学一等奖。相关研究论文“浅埋煤层地表厚砂土层‘拱梁’结构模型研究”发表在《岩土力学》2009（9），并被EI收录。砂土层的裂隙分布特征及载荷传递规律研究，作为“陕北生态脆弱矿区煤水地质特征及科学开采研究”的组成部分，获得2010年度陕西省科技进步一等奖。
鉴定结果
- 获得国家自然科学基金项目，通过国家自然科学基金委的验收，评价达到国际先进水平。作为“陕北生态脆弱矿区煤水地质特征及科学开采研究”的组成部分，该项目2009年通过陕西省科技厅鉴定，达到国际领先水平。
参考文献
- [1] 我国煤炭工业“十五”规划[J].煤炭经济研究，2001(7):4-9 [2] 黄庆享.神府浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义[J].岩石力学与工程学报，2002, 21(8):1174-1177. [3]黄庆享.浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000 [4]黄庆享，刘文岗，张沛，马德梅. 动载荷智能数据实时采集系统开发及其应用. 西安科技大学学报.2004,24(4):402-405. [5]黄庆享,钱鸣高,石平五.浅埋煤层顶板周期来压结构分析[J].煤炭学报,1999, 24(6): 581-585. [6]许惠德，马金荣，姜振泉. 土质学及土力学[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1995, 246 [7]杨桂通. 土动力学[M]. 北京：中国建材工业出版社，2000.10 [8]钱鸣高，缪协兴, 何富连. 采场“砌体梁”结构的关键块分析[J]. 煤炭学报，1994，19(6)：557～563 [9]钱鸣高，缪协兴，许家林等. 岩层控制的关键层理论[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2000，35～59
同类课题研究水平概述
- 自80年代后期至今，钱鸣高院士提出的砌体梁理论已得到的广泛应用，并在实践中不断的完善和发展。进入90年代后，研究又取得了重大的突破，给出了砌体梁结构受力的理论解和岩层内部移动曲线定量解；建立了砌体梁关键块体的“S—R”稳定理论；证明了顶板下沉与支架载荷的P—ΔL 双曲线关系；建立了采场矿山压力整体力学模型，阐明了支架受力来源问题形成了岩层控制的关键层理论，黄庆享教授将关键层理论运用到浅埋煤层顶板控制中，建立了浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制理论，丰富了岩层控制关键层理论。80年代至今，西安科技大学的专家学者对神东矿区的不同矿井进行大量的调查研究和探索，首先提出了浅埋煤层的概念，形成了浅埋煤层长壁开采顶板结构理论、浅埋煤层组合关键层理论和神东矿区浅埋开采涌水、溃沙预防治理对策研究等多项科研成果，并已对神东矿区水土流失展开了研究工作。国内对于涉及浅埋煤层上覆厚沙土层破坏机理的研究很少。经过不同专家教授的探索与研究，对于浅埋煤层的研究，顶板结构理论的基本体系已经形成，但浅埋煤层上覆厚沙土层采动载荷传递机理及顶板动态结构理论还需要进一步研究和完善。 关于厚沙土层下浅埋煤层顶板控制的研究，国外较早的有前苏联M.秦巴列维奇的假说。该假说认为当煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。在浅埋煤层矿压显现方面，前苏联B.B.布德雷克于1981年就莫斯科近郊煤田矿山压力研究后指出：在埋深100 m 且存在厚粘土层条件下，放顶时支架出现动载现象，约12﹪的采区煤柱出现动载现象。说明浅埋煤层顶板来压迅猛，与普通采场顶板逐次垮落失稳形成的缓和来压有明显的区别。80年代初，澳大利亚B.霍勃尔瓦依特博士等对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿浅埋长壁开采的一些矿压现象进行实测，发现地表最大下沉量为采高的60﹪，最大下沉量的85﹪发生于距工作面40 m 的范围内。英国和美国为控制浅部开采地表沉陷，多采用房柱式开采。有些南美国家也因缺乏有关技术而未能采用长壁开采，主要开展了房柱式开采地表沉陷预计和煤柱载荷确定的研究工作。综上所述，国外研究总体上认为浅埋开采顶板破断直接影响到地表，顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显且难以控制。然而，国外文献中仅对长壁开采的一些矿压现象进行了描述，没有对浅埋煤层顶板理论进行系统的研究，更没对上覆厚沙土层的破坏机理进行研究。
