急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板运移规律

作者:胡华君 刊名:内蒙古煤炭经济 上传者:路彦伟

【摘要】本文通过离散元数值模拟对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板运移规律进行分析,明确了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采过程可分为"开挖悬臂阶段、顶板初次垮落阶段、垮落扩展阶段、岩层稳定阶段"4个阶段,依据第一主应力原理确定了回风顺槽距顶板4m左右是最佳的位置。

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最近几年,有很多学者专家们针对采场及回采巷道矿压理论做了大量的的研究,并取得了相当不错的成果。在缓倾斜、中厚煤层条件下,针对采场周围支承压力的分布情况建立了基本模型,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等。这些研究成果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,研究急倾斜煤层顶板运移规律。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3.6m~5m,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数值模拟软件与计算模型2.1UDEC数值模拟软件UDEC是基于离散模型的显式单元法的数值程序,用于模拟在静态、动态荷载作用下离散介质的力学反应。应用UDEC数值软件对急倾斜煤层顶板运移规律进行模拟,得出顶板应力分布规律,更加符合工程实际。2.2数值计算模型根据矿井的实际开采条件,建立断面模型。如图1所示。取工作面的真倾角=38,自标高为1480m自上向下分层开采。分段工作面倾斜长度为80m,两顺槽分布在顶底板附近。模型长为1197m,左右边界约束水平位移,底边约束垂直位移,地表则无位移约束。模型单元为2322。计算采用摩尔库仑准则计算。图1倾向主断面岩层分布剖面图图2倾向主断面离散元计算模型2.3岩石力学参数及边界条件数值模拟计算所用煤岩物理力学参数主要来自于实验室试验。数值模拟计算所用参数如表1所示。模型两侧和底部为位移边界,计算采用了自适应阻尼。表1块体及节理参数岩层容重节理刚度系数节理刚度系数黏结力Ckg/m2N/m2N/m2MPa砂岩26001.5E91.5E102.6泥岩25001.3E91.3E102.0煤层14001.0E91.0E101.0松散层20000.1E90.1E100.1页岩23001.1E91.1E101.23急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板运移规律3.1顶板运移过程分析图3为开采的几个阶段(采出高度30m,下边界至1075m,累计开采高度406m)岩层移动情况图,清晰的反映了不同阶段的主要特点。(1)开挖悬臂阶段:急倾斜煤层开采后,顶板处于悬空状态。随着顶板的悬露面积逐渐增大,会在短时间内形成悬臂的力学形态;(2)顶板初次垮落阶段:直接顶在重力的作用下会大面积垮落,与基本顶完全脱离,顶板进入直接顶初次垮落;(3)垮落扩展阶段:随着顶板的逐渐垮落,基本顶也不断发生断裂。下端头附近的主断裂线不断向上发育,形成更大的垮落带。冒落的矸石充填至工作面下部,在下部形成下部充填区。在此期间,顶板内的高应力转移至工作面下部,构成新的高应力集中区;(4)岩层稳定阶段:该阶段的上覆岩层下沉至冒落矸石上,矸石被压密。大面积的岩层运移已经基本结束,上覆岩层处于亚稳定状态。一旦下阶段工作面开挖,上覆岩层又将重新移动、垮落。(a)开挖悬臂阶段(b)板初次垮落阶段(c)垮落扩展阶段(d)岩层稳定阶段图3急倾斜水平分层开采顶板运移过程由图3可知,急倾斜煤层水平分层开采顶板垮落的4个阶段内,顶板垮落的断裂线始于工作面下部,沿着垂直方向向上发育。工作面上部的岩层随之垮落,在底板侧形成铰

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