急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型

作者:鞠文君;李文洲 刊名:煤炭学报 上传者:王丹

【摘要】通过对急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶破坏特点的分析,建立了老顶沿倾斜方向悬臂梁断裂的力学模型,推导得出老顶岩层悬臂梁能量表达式,提出了爆破断顶矿压防治技术,并在甘肃华亭煤矿试验成功.

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1实验区情况水平分段综采放顶煤开采是先进的急倾斜特厚煤层开采技术,在甘肃华亭、新疆乌鲁木齐、辽源梅河等矿区应用取得了良好的技术经济效果.近年来,随开采深度的增加和开采强度的增大,急倾斜特厚煤层开采矿压显现强烈,特别在华亭矿区,矿压问题严重影响了矿井的安全生产.对于长壁开采工作面矿山压力的研究,国内外学者做了大量的工作,比较有代表性的如前苏联学者格.恩.库兹涅佐夫提出的采场顶板岩层铰接岩块假说,我国的钱鸣高院士和宋振骐院士分别提出的砌体梁理论[1]和运动岩梁理论等.但这些模型是基于缓倾斜、薄及中厚煤层条件建立的,对于急倾斜煤层并不完全适用.急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤开采,与倾斜煤层开采的巷道布置完全不同,两工作面巷道沿煤层顶底板布置(通常称为顶板巷、底板巷),工作面沿走向推进,工作面长度较倾斜长壁开采要短得多,一般为25~60m,分段高度10~18m.由于急倾斜特厚煤层埋藏条件和开采方式的特殊,导致其矿山压力显现的特殊性和复杂性[2~4].2急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶倾向断裂力学模型为了便于分析,把顶板倾向断裂作为平面问题来考虑.急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤开采,当工作图1急倾斜水平分段放顶煤开采上覆围岩“铰接梁”结构Fig1Hingestructureofsurroundingrockininclinedcoalseam面煤炭采出后,采空区将被上部垮落煤矸所充填,若一次开采段高为10m,则需20~40m厚的上覆煤矸,即沿倾向可能有高达30~50m范围的煤矸运动,在直接顶比较厚、碎胀性比较好的情况下,在煤层倾斜方向可以形成如图1所示的“铰接梁”结构[2],此结构与近水平及倾斜煤层沿走向的“砌体梁”结构模型有一定相似性.按照钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论,老顶岩层形成砌体梁必须满足2个条件:断裂的岩块应达到一定的长度,须大于其厚度的2倍;断裂的岩块应达到一定的厚度,分层厚度应远大于其下自由空间的高度.甘肃华亭煤矿煤层厚度3386~6872m,平均5151m,煤层倾角45左右,直接顶为砂岩或粉砂岩,最小厚度126m,易垮落;老顶为粉砂岩及细砂岩,致密坚硬,厚度40m,分层厚度4~8m.采用急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤开采,分段高度15m.由于直接顶较薄,垮落的直接顶岩层对采空区的充填程度很低,煤体采出后留出了很大的自由空间,不能满足“砌体梁”理论的条件,断裂的老顶岩层无法形成“铰接梁”式的结构,坚硬的老顶就处于悬顶状态,形成一种仰起的“悬臂梁”结构(图2).悬臂梁的支点处受到很高的集中应力作用,造成下方煤体内顶板巷压力明显,当悬臂达到一定长度就会断裂,释放大量能量.短时间内释放大量的变形能就会产生冲击,造成强烈矿压显现.将悬臂梁进一步简化,如图3所示.设顶板断裂后悬露长度为l,来自上覆岩层的载荷为q,顶板受载弯曲,顶板变形产生的能量为W=M/2,其中,M为顶板弯曲产生的力矩;为顶板弯曲产生的转角.进一步推导得出W=(qcos)2l5/(24EI),其中为煤层倾角;EI为悬臂梁截面惯性距.由上式可以看出,悬臂梁的能量和其载荷的2次方成正比,和其长度的5次方成正比,随倾角的增大而减小.可见上方岩层对顶板施加的载荷越大、悬臂越长、煤层倾角越小,顶板变形产生的能量越大,断裂时对煤层内巷道造成的破坏也越大.对于特定矿井,开采深度、煤层倾角与厚度、顶板强度与厚度等是一定的,因此设法减小悬臂梁的长度是降低其变形能的有效途径,可避免产生过大的应力集中和产生冲击载荷,对维护巷道的稳定性和防止动力灾害十分有益.3工程应用华亭煤矿工作面沿走向推进过程中周期来压

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