急倾斜厚煤层水平分段综放覆岩破坏模式实验研究

作者:杨胜利;赵斌;杨毅; 刊名:煤炭工程 上传者:郭爱莲

【摘要】急倾斜厚煤层水平分段综放开采覆岩破断形式不同于近水平煤层开采,以青海江仓矿为工程背景,并借助改进的相似模拟实验台和FLAC 3D数值模拟软件,系统的分析了大段高(采放比1:8)水平分段开采顶煤与采场上覆岩层的运移规律和破坏模式.研究表明:急倾斜厚煤层水平分段综放开采过程中顶板发生"倾倒-滑塌"式破坏,呈现台阶状破坏断面,底板也会产生滑移现象;随着开采分段的逐步向下延伸,覆岩破坏后向下的位移增大,对顶煤及采空区残留的矸石形成明显冲击,成为采场围岩控制的重点.

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自1984年在沈阳蒲河煤矿进行了综采放顶煤工业试验之后,综放技术在我国取得了飞速的发展,现在已成为我国煤炭开采技术的标志性成果之一[1]。综放开采技术不仅能够应用于近水平厚煤层,在急倾斜特厚煤层中也得到了很好的应用。急倾斜煤层在我国煤层赋存中占到25%,而产量却不足10%,这主要是复杂的煤层赋存条件使其很难进行高效的机械化开采,然而水平分段综放开采是解决厚度大于20m,倾角大于75急倾斜煤层机械化开采的主要途径。随着煤炭资源的不断开采,我国中部和东部赋存条件简单的优质煤炭资源逐渐减少,煤炭资源开发重点逐渐向西部地区转移,尤其是随着新疆等地的煤炭资源开采力度增大,越来越多的矿井面临开采急倾斜特厚煤层的问题[2]。然而,急倾斜水平分段综放开采不仅要关注顶煤的破碎与放出规律,还要研究覆岩的冒落形态和条件,这对于实现工作面安全开采、提高资源回收率是非常重要的。在顶煤放出规律方面,王家臣教授借助于PFC软件和自主研制的相似模拟实验台,系统地研究了综放开采顶煤放出规律,建立了统一研究煤岩分界面、顶煤放出体、顶煤采出率和含矸率四要素的BBR研究体系,分析了煤岩分界面形态,提出了可用抛物线拟合煤岩分界面,定义了切割变异椭球体,极大的提升了综放开采顶煤放出理论[3-6]。孟宪锐教授等采用相似模拟试验,对属于复杂结构厚煤层的开滦赵各庄矿2429S综放面含厚夹矸顶煤的冒放性、放煤工艺及放出规律、夹矸层极限厚度的确定等问题进行了研究论述,并指出了含夹矸顶煤活动规律对放顶煤开采的影响和夹矸层的极限厚度[7]。在覆岩破断规律方面,胡华君等通过相似模拟试验对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩破坏特征进行分析,发现了覆岩破断形态为“倾斜梯形”,总结出急倾斜煤层水平分段综放开采覆岩破断、运移总体的趋势是岩层沿层面向下移动,最大下沉值位于工作面的中上部区域[8],笔者曾对阿刀亥煤矿急倾斜煤层水平分段综放开采(采放比16)条件进行研究,分析了顶板破断以后形成结构及机构失稳条件,并揭示了该条件下支架与围岩相互作用原理,提出了水平分段综放开采支架载荷计算方法[9];最近笔者和王家臣教授又提出了急倾斜煤层水平分段综放开采覆岩“倾倒-滑塌”破坏模式,给出了破坏模式发生的理论判据。综合分析认为,进一步揭示急倾斜厚煤层水平分段综放开采覆岩的破坏模式,对于进一步揭示覆岩破断致灾机理,指导放煤工艺参数优化具有重要的意义。而本文的重点是在实验上进一步验证大采放比(18)条件“倾倒-滑塌”破坏模式的具体特征,验证理论研究成果。1工程背景本文以青海江仓矿为工程背景,该矿设计生产能力90万t/a,主采20#煤层,20#煤层为一单斜构造,走向自西向东85~110,呈一略向北突出的弧形,平均厚度25m,倾角50~70,硬度系数f0.9,容重1.33t/m3。煤层大部分为亮煤,黑色,沥青光泽,半暗半亮,煤层牌号为弱粘结煤,煤层较稳定。煤层柱状图如图1所示。图1煤层柱状图根据工作面的地质资料可知每片盘垂高50m,起初分三个分段回采,为了提高效率,本次试验计划改为两个分段回采,每个分段高度25m,其中机采高度2.8m,放煤高度22.2m,采放比接近18,工作面平均长度17m,煤层倾角70。2相似模拟实验2.1相似材料调配为了模拟出顶煤在矿山压力作用下裂隙的产生、贯通、并破碎成一定块度以后进行放出,该实验放弃以前直接用散体材料代替顶煤的做法,而是通过配置合适比例的实验材料,进行模型铺设,从而实现下部割煤,上部顶煤逐步破碎后放出。最终获得实验材料配比如下:采用粒径为5~8mm的青色石颗粒与沙子作为骨料,石灰为调节剂,水为

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