乌东矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征研究

作者:霍丙杰;路洋波;付兴;金宝圣; 刊名:安全与环境学报 上传者:郑贵超

【摘要】为研究急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征,基于急倾斜特厚煤层工作面顶板赋存条件并结合弹性力学,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板力学模型.通过力学模型分析,推导出急倾斜特厚煤层水平分段开采后顶板沿工作面倾向方向的岩板破断判据及挠度公式,应用三角级数方法对挠度公式进行求解,确定了顶板沿倾向方向上最大挠度发生的位置关系式.理论研究成果在乌东矿南采区B1 +2急倾斜特厚煤层水平分段综放开采中的工程应用表明,工作面沿倾向方向上推进到385 m时顶板发生破断,倾向方向顶板最大挠度坐标位置为y=325.78 m,顶板沿工作面倾向方向的最大挠度位于采空区中部偏下位置.表现为急倾斜特厚煤层顶板在工作面上方的非对称性破断;相似材料试验进一步验证了顶板挠度公式的合理性.

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0引言煤矿开采过程中,顶板事故的发生严重制约了矿井安全高效生产。顶板破断对工作面和巷道矿压显现具有重要影响。受煤层倾角的影响急倾斜煤层顶板破断与缓倾斜煤层有较大不同,表现为覆岩三带的不对称性、破断步距大等特征。因此,研究急倾斜煤层开采顶板的破坏规律,对急倾斜煤层采场顶板管理、顺槽巷道支护设计具有重要意义。急倾斜煤层由于煤层倾角较大,顶板上覆岩层重力的分布不均,以及作用在岩层上方的载荷分为沿着岩层法向和倾向的载荷,导致顶板发生非对称弯曲变形。随着开采的推进顶板发生断裂,顶板破断岩块向下滚落,形成采空区沿倾斜方向不同的充填[1-2]。目前关于急倾斜煤层开采顶板覆岩垮落方面的研究较多,伍永平[3]、许世华[4]、王红伟[5]等分析了大倾角煤层开采覆岩垮落形态沿工作面倾向方向,呈不对称拱形特征,并最先获得了预测顶板断裂高度公式。2009年,程文东等[6]运用相似材料试验和FLAC3D数值计算程序,首次得出在急倾斜综放工作面,沿倾向方向上顶板矿山压力分布特征为上部区段压力大,下部小,煤岩垮落也是上部区段多、下部区段少的顶板破坏规律。鞠文君等[7]通过对急倾斜煤层开采基本顶破坏特点的分析,建立了基本顶沿倾斜方向悬臂梁断裂的力学模型,最先推导出基本顶岩层悬臂梁能量表达式。汪成兵等[8]以平顶山矿区十三矿己15-17-12041工作面为模拟对象,对己组煤开采上覆岩层运动规律进行相似材料模拟试验,通过对模拟试验结果的分析,首次得出己组开采上覆岩层的运动规律。上述研究均取得了一些有益的成果,但关于急倾斜煤层上覆岩层顶板按着弹性薄板进行分析,在沿其倾向方向的最大挠曲位置的确定和对顶板破断判据研究较少。本文根据急倾斜煤层工作面顶板围岩赋存条件,基于弹性力学理论建立急倾斜煤层开采顶板力学模型。通过对力学模型的三角级数求解,得出急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板发生最大挠度位置,推导顶板的破断判据公式。通过对新疆乌东煤矿南采区B1+2煤层水平分段综放开采顶板破坏的理论计算及相似材料模拟试验分析,验证建立的急倾斜煤层顶板力学模型和破断判据的合理性。1急倾斜煤层顶板力学结构及其理论分析1.1急倾斜煤层顶板力学结构模型的建立根据弹性力学中薄板理论,即板厚与板面内的最小特征尺寸之比在1/80~1/5时为薄板。前苏联的B..加列尔津院士认为[9],当岩板的厚度h与板的中面最小尺寸b满足hb15时,即可用薄板方式处理。前苏联列宁格勒矿业学院科学家A.A.鲍里索夫教授研究认为[10],当岩板满足hb13时,也可用薄板方式处理,因此将岩板作为薄板研究的范围可适当放宽。由于在实际工作面开采过程中,对于急倾斜煤层长壁开采[11],工作面长度通常为100~200m,采场基本顶的初次垮落距一般为20~50m,周期来压步距约10~30m,其厚宽比为1/5~1/8,因此据薄板理论可将初次破断前基本顶岩层视为弹性薄板。如图1和2所示,急倾斜煤层倾角为,设薄板上覆所受均布载荷为q,根据力的作用效果可以将所受载荷分为横向载荷q1和倾向载荷q2,所以q1=Hcos,q2=Hsin,其中H为上覆岩层厚度,为上覆岩层的容重。a为薄板沿x轴方向的长度,b为薄板沿y轴方向的长度,薄板厚度为h。当仅有横向载荷作用时,对顶板先产生横向挠度,在作用纵向载荷后,进一步加大顶板的弯曲挠度。所以可以将纵向荷载对挠度的增量看成是当薄板有一定的初始挠度时,在纵向荷载作用下产生的新挠度[12]。假定岩板的材质是均匀、连续、各向同性的,且在分段开采时岩板厚度h远小于板的中面最小尺寸b,因此薄板承受的法向载荷可用弹性薄板小挠度理论来进行分析[

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