急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩破坏特征

作者:胡华君 刊名:内蒙古煤炭经济 上传者:陈芝兰

【摘要】本文通过相似材料模拟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",随着采深不断增加受到前部开采垮落角的影响逐渐增大。给出了不同高度的岩层的下沉率与岩层距煤层顶板高度的关系式。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。

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目前,众多的学者已经对采场及回采巷道矿压理论做了大量的研究,并取得了相当不错的成果。针对缓倾斜、中厚煤层的地质赋存条件,建立了大量的力学与相似材料模型。得到了大倾角煤层采空区上方冒落“三区三带”模型以及回采巷道变形特性模型等。这些基本概念有很多都可以应用到急倾斜特厚煤层水平分层综放开采过程中来。但急倾斜特厚煤层综放开采的覆岩破坏特征与一般煤层差别很大,所以有必要对急倾斜煤层覆岩破坏特征进行研究。1工程概况淮北某矿煤层倾角26°~43°,煤层平均厚度10.69m,属急倾斜特厚煤层。基本顶岩性主要由粉砂岩、细砂岩等砂岩组成。顶板岩石的普氏系数可达到3.6~5,平均厚度为30m,可见顶板为坚硬厚顶板,不容易随工作面开采而自然断裂、垮落。由于煤层倾角变化较大,采用水平分段综采放顶煤方法进行开采。现阶段采深达到650m,矿压显现较为频繁。由于煤层厚度较大,采出后顶板运动空间较大,位能较高。一旦顶板活动剧烈将很容易导致强矿压显现事故。由此可见,急倾斜煤层开采顶板运移是矿压显现的根本因素。所以针对急倾斜煤层顶板运移规律进行研究是强矿压防治工作的重要内容。2相似模型的设计与观测内容2.1实验模型相似材料模拟模型的基本参数是按照淮北某矿南二井5剖面地质资料。模型根据需要选取几何相似常数为1∶500,容重为1.5g/cm3,模型框架规格为2.4m×0.16m×1.0m;地表水平标高1901m-1938m,以图1相似材料模型全景图1350m水平为开采水平上界。观测方法为观测标志点,观测仪器为经纬仪配合钢板尺,观测精度为±0.2mm。模型全景图见图1。2.2模型开采方法和观测内容自标高为1350m的地表向深部开采,采用水平分段综放开采,开采高度为10m,累计开采的垂直高度为350m。通过观察模型开采后的覆岩破断与运移特征,总结出急倾斜煤层水平分层开采覆岩破断特征进行研究。在该模型内一共布置了10条观测线,对覆岩运移进行观测。图2观测标志点布置图3急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩破坏特征3.1覆岩破坏形态如图3所示,待工作面开采至约450m后,岩层的主关键层发生断裂。工作面首先出现离层、垮落的位置为工作面上部区域,而主裂隙是由工作面下部顶板侧向上部发育,最终导致工作面上部区域的顶板出现大面积的垮塌,冒落矸石沿着倾斜空区向下滑移,在采空区下部形成矸石支撑空间。工作面下部未垮落顶板收到阻碍,形成了下部悬顶区域。最终形成“倾斜梯形”的垮落形态。该垮落形态导致工作面顶板巷附近存在较大的悬顶结构,易聚集大量的弹性能。工作面下边界附近的岩层首先断裂,且断裂速度较快。工作面上边界的岩层运移速度较慢,呈现出了顶板运移的非对称特征。顶板岩层冒落过程当中,底板岩层受到挤压,出现明显的底鼓。但是随着顶板的垮落,冒落矸石垮落至底板使得底鼓现象得到了控制。所以在急倾斜煤层水平分层开采过程中,煤层底板的底鼓现象能够得到有效控制。图3开采垂高350m时岩层垮落形态图如图4所示,急倾斜煤层水平分层开采后顶板垮落形态与影响范围有关。开始进行开采阶段,顶板垮落角为85°。随着采深的不断增加,垮落角不断增大。待工作面开采至埋深为350m,垮落角达到了93°。可见,随着采深不断增加受到前部开采垮落角的影响逐渐增大。垮落通道不断增大,使得覆岩更容易垮落,主裂隙发育也逐渐向煤层侧回转。图4不同开采阶段岩层的垮落区域图3.2覆岩运移规律分析利用竖向观测线的各观测点A16、B16、C16、D16、E16、F16对覆岩的下沉量进行分析。计算出不同高度岩层的下沉率ρ(即下沉值与采高比W/M),最终获得了下沉率与岩层高度和

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