急倾斜煤层水平分段综放顶板“倾倒-滑塌”破坏模式

作者:王家臣;杨胜利;李良晖; 刊名:中国矿业大学学报 上传者:赵宁

【摘要】为揭示顶板破坏与移动规律,以江仓一号井11220工作面为工程背景,进行了顶板破坏相似模拟试验和UDEC数值计算,建立了顶板破断岩块倾倒力学模型,揭示了顶板上分段"倾倒式"和下分段"滑塌式"2种破坏模式,提出了顶板岩块"破坏形态转变点"的判别准则,定义了表征顶板破坏形态的滑-倾系数,讨论了顶板载荷和岩块厚度对"滑-倾"系数的影响.结果表明:随着顶煤的放出,顶板易悬空张裂而发生倾倒-滑塌破坏;随着开采水平的加深,上分段倾倒的顶板岩块作用在下分段顶板上,促进了下分段顶板的折断与倾倒,对采空区产生冲击载荷;随着顶板载荷和岩块厚度的增大,顶板更容易发生"滑塌式"破坏;随着顶板岩块高厚比的增加,顶板更容易发生"倾倒式"破坏.

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引用格式:王家臣,杨胜利,李良晖.急倾斜煤层水平分段综放顶板“倾倒-滑塌”破坏模式[J].中国矿业大学学报,2018,47(6):1175-1184.WANG Jiachen,YANG Shengli,LI Lianghui.Toppling-slumping failure mode in horizontal sublevel top-coal caving face insteeply-inclined seam[J].Journal of China University of Mining&Technology,2018,47(6):1175-1184.2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点试验室,江苏徐州221008)我国赋存大量急倾斜煤层(倾角大于45°),随着缓倾斜煤炭资源的逐步减少,急倾斜煤层开采所占的比重越来越大[1-3].随着煤层倾角的增大,会面临新的科学问题和技术难题,采煤方法的确定、设备的选型、以及采场围岩控制等也会变得很困难.当急倾斜煤层厚度小于5m时,可以进行走向长壁综合机械化开采,川煤集团的绿水洞煤矿通过设计特殊的液压支架和改进采煤机等措施,使工作面倾角达到了70°;煤层厚度5~20m时,可以进行走向长壁放顶煤开采,峰峰集团大远煤矿2号煤层通过改进液压支架并创新采放工艺,实现了62°急倾斜煤层走向长壁综放开采;煤层厚度超过20m时,可以进行水平分段综放开采,目前一次分段的高度已经超过25m,在新疆的乌东煤矿、包头阿刀亥煤矿都有应用.在急倾斜煤层开采中,无论是走向长壁工作面,还是水平分段综放工作面,顶板破断形式、破断发生条件、冒落高度等都会发生变化,传统的矿压理论不能很好的解释覆岩移动和矿压显现规律,尤其是对于水平分段放顶煤工作面.现有支架与围岩关系研究成果和常用顶板荷载估算方法也不适用于急倾斜煤层的开采[4-7].国内外一些学者对此进行了研究,取得了一些有益的研究结论.文献[8]发现,急倾斜特厚煤层水平分段开采,在一定的煤层倾角、老顶厚而坚硬的条件下,老顶在倾斜方向形成悬臂梁结构,悬臂断裂时释放大量能量,致使下方巷道变形破坏;文献[9]认为顶板岩层存在“大、小”两个结构,“大结构”是横跨采空区上下端的“不等高卸载拱”,而“小结构”是处于“大结构”保护之下的“铰接岩梁”结构,并通过建立“大、小结构”各自的力学模型,揭示了急倾斜工作面覆岩破断与来压过程;文献[10]则认为,存在于分段内的下位拱结构的平衡和失稳导致了采面来压,沿推进方向大跨度不稳定拱结构和悬露的狭长顶板破断过程,使采面面临大范围围岩垮落灾变的危险;文献[11-12]认为,急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面覆层垂向变形演化非对称趋势显著,顶煤与上覆残留煤矸复合形成非对称“拱结构”并演化为典型倾斜椭球体结构;拱角与拱顶煤岩滑落失稳,造成工作面局部压力畸变并诱发动力学灾害;文献[13]研究发现,急倾斜煤层从顶板形成的结构看,急倾斜工作面顶板更容易形成稳定结构,有利于控制顶板岩块滑落失稳后继续滑落,从而减小因岩块滑落失稳造成的冲击,另外,发现急倾斜特厚煤层水平分段综放开采支架荷载主要来自于本分层顶煤、残留于采空区上分层顶煤和部分冒落矸石重量,荷载大小与水平分层厚度、煤层倾角、顶板岩性等条件有关,并确定了水平分层综放条件支架荷载计算公式;文献[14-15]则通过模拟试验等手段,揭示了急倾斜综放采场由下至上形成“密实充填区、不均匀充填区和动载影响区”的非对称回采空间,顶板岩层呈现“下部回转、中部沉降、上部滑落”的“三段式”运动特征,提出了动载影响段顶板失稳

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