急倾斜煤层水平分段综放开采覆岩运移规律研究

作者:索永录;张铎严;吴侨宁;祁小虎; 刊名:煤炭工程 上传者:王强

【摘要】基于急倾斜煤层水平分段综放开采时,顶板垮落所产生的冲击动量对工作面造成冲击,采用立体相似模拟实验建立相似模型,通过理论分析计算冲击动量,运用3DEC数值模拟对人工爆破强制放顶进行模拟分析.结果表明:在开采初期,采用人工爆破放顶的措施可以减小顶板的悬露面积,顶板垮落后的覆浮矸形成垫层对下分段的生产起到良好的保护作用,降低了冒顶的风险,可有效提高工作面的安全性.

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急倾斜煤层开采时,围岩在自我组织能力的作用下形成了应力拱壳,同工作面一起向前推进,同时发生“壳顶-壳基”失稳的现象,最后在深部开采区域逐渐演化为新的应力拱壳[1]。当煤层倾角不小于65,并且分段高度不大于30m时,顶煤在冒落过程中逐渐形成的不稳定平衡拱,将会受到煤层的周期性失稳影响,导致顶煤的不稳定平衡拱不停地向上方部位移动,并且逐渐会形成工作面来压的现象[2,3],而且工作面顶板的压力体现为上部最大、下部次之、中部最小的分布状态[4],尤其当急倾斜煤层在开采的过程中,其顶板中部将最容易产生弯曲破断的现象,使顶板破断后呈人字型[5],而巷道围岩应力载荷呈非对称分布[6],在变形后易出现离层现象,离层是围岩变形的重要反映[7]。在大段高条件下开采的工作面,沿煤层走向开采所体现的矿压显现规律,周期来压步距在21~26m左右;在水平分段放顶煤开采的过程中,顶煤不稳定平衡拱的结构形式,将持续经历从平衡到失稳的反复过程[8,9]。本文在采用物理相似模拟实验的理论基础上,通过建立力学相似模型,系统分析明鑫煤炭公司二号立井急倾斜煤层顶板的垮落条件及过程,提出防止顶板危害的措施,并通过理论分析计算顶板危害大小以及3DEC数值模拟计算验证该措施的有效性,为安全生产提供保障。1工作面概况明鑫煤炭公司二号立井所开采的C2+3+4+5+6煤层基本合并,煤层总厚度达到26.5m左右,煤层倾角58~72,工作面埋深约200m左右,因此采用水平分段综采放顶煤的采煤方法开采。目前综放工作面开采的水平标高为+1440m,对应地面的标高为1642~1643m,开采深度为200m左右,工作面的走向长度为1000m左右,倾向水平的长度为32m左右,工作面的回风平巷沿煤层C4+6的顶板布置,运输平巷沿煤层C2+3的底板布置。C组煤层顶底板多为泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩,C4煤层底板为砂质泥岩。工作面使用的主要装备为:ZF3000/16/25型支撑掩护式放顶煤液压支架20付。采煤机的割煤高度为2.3m,放顶煤的高度为17.8m,段高为20m。采用“两采一放”的采煤工艺,放煤步距为1.2m。2相似材料模拟实验通过物理力学分析,采用立体模型,研究在走向方向上顶板的运动规律。实验比例1200,模型宽0.6m,长1m,高1m,实验全景如图1(a)所示。通过使用铁砖加载,模拟岩层的高度为80m,煤层的倾角为65。其中,1470~1556m水平被私有煤窑开采破坏。1)第一步开采1440~1470m水平,沿煤层走向的方向推进10m、20m、30m、40m,顶板处理采用切槽法进行,此时顶板并没有发生明显的变化;沿走向推进直至120m处,第一分段开采完成,如图1(b)所示,顶板没有发生明显变化。2)第二步开采1420~1440m水平,沿走向方向推进40m,顶板没有肉眼可见的变化;推进至60~100m时,顶板发生垮落现象,如图1(c)所示,顶板的垮落厚度为16m、长32m、宽20m。3)第三步开采1400~1420m水平,沿走向方向推进30m,顶板没有发生肉眼可见的变化;推进至100m,顶板发生垮落现象,如图1(d)所示,顶板的垮落厚度为10m、长30m、宽20m。图1顶板垮落过程示意图(m)由上述实验结果分析可知:第一水平分段在开采时采用人工切顶的方法,仅仅是切断了一部分顶板之间的力学关系;第二分段在开采时所采用的人工切顶方法,才会导致煤层顶板发生大面积的垮落现象,而且开采第二水平分段时,顶板一共发生了三次垮落现象,垮落的长度为32~34m,厚度为14~16m左右;在开采第三水平分段时,顶板一共发生三次垮落现

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