王家山矿急倾斜煤层长壁综放工作面底板下滑的机理分析及控制措施

作者:陈虎 刊名:煤矿安全 上传者:陆慧红

【摘要】通过FLAC3D数值模拟,分析了急倾斜厚煤层走向长壁综放开采工作面底板下滑机理,并在实践中总结出了避免对底板的反复扰动破坏、防止淋水浸蚀、采用锚网支护加固等控制底板下滑的措施。

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急倾斜煤层走向长壁工作面,由于煤层倾角大于冒落矸石的自然安息角(一般为35),工作面底板一旦破坏会产生滑移,而且破坏滑移区还可能向上蔓延,从而加剧了工作面支护系统失稳,导致顶板事故。分析急倾斜煤层底板下滑机理,实践探索控制底板下滑的技术措施,对于急倾斜煤层长壁工作面采掘活动安全具有十分重要的意义。1工作面基本情况王家山矿45208工作面煤层倾角3752,平均43。煤层厚度817.3m,平均厚度12.6m,煤层节理、裂隙发育,普氏系数1.01.5。煤层伪顶为灰黑色泥岩,层面光滑,易跨落,厚度0.40.5m,直接顶为灰、深灰色粉细砂岩,斜层理发育,厚度23m。老顶为浅灰色含砾粗砂岩,裂隙发育,含水较丰富,厚度25.3m以上。直接底板为深灰色、灰色泥岩和粉砂岩,较致密坚硬,厚度04.8m,老底为灰白色粗砂岩,具微波状层理,较坚硬,厚度18m。工作面对应地表无经常性水体和水流,煤层顶板有一层砂砾岩和粗砂岩组成的第含水层。两道及开切眼掘进期间,施工多处脱水钻孔,钻孔最大出水量22.56m3/h。工作面可采走向长840m,倾斜长95m,可采煤量110.5万t。设计采用走向长壁综采放顶煤采煤法开采,采高2.6m,放顶煤高度10.0m,循环开帮进度0.6m。工作面切眼设计为圆角矩形,净断面18.2m2,采用分次成巷的施工方法沿煤层底板掘进,锚网索联合支护。2FLAC3D数值模拟工作面围岩破坏特征(1)原型条件。模型的原始参数依据王家山煤矿45208工作面的地质资料。该工作面倾斜长度95m,煤层厚度平均为12.6m,采高2.6m,煤层平均倾角43。(2)模型参数。为了客观地反映急倾斜厚煤层长壁综放开采采场围岩的破坏特征,特别是底板破坏下滑的特点,采用FLAC3D计算程序,建立三维计算模型进行模拟分析。模型走向长200m,倾斜宽200m,高度193.6m。三维模型共划分有55560个三维单元,共62914个结点,如图1。图1三维计算模型网格图图从图2急倾斜煤层底板塑性区及位移矢量图可以看出,底板出现塑性屈服区,并且底板的位移是垂直位移和水平位移的合位移,说明该处底板破坏后图2急倾斜煤层底板塑性区和位移矢量图出现底鼓。从图3急倾斜煤层剪应变率云图和速度矢量图可以看出,急倾斜煤层底板剪应变率出现集中和峰值,而且底板的应变速度是沿底板倾斜向下的,说明该处底板会出现滑移。3底板下滑机理分析3.1底板应力重新分布未开采的原始煤层通常处于三维应力状态,伴随着巷道开挖或煤层开采,围岩应力场要发生变化,逐步由三向应力状态向双向应力状态过渡,进而发展为单向应力状态。很显然,当工作面顶底板无支护时,回采空间的煤层顶底板和煤壁表面通常处于图3急倾斜煤层剪应变率云图和速度矢量图“0”应力状态,其周围岩体在应力的作用下向已成空间移动是必然的。对于煤层底板来说,岩层自身重力的作用减缓了其变形程度,在一般情况下,不会出现明显的破坏特征(断裂与底鼓)。但是随着煤层(岩层)倾角增大,底板岩层自身重力中促使其稳定的分量减小,而导致其出现非稳态运动的分量相应增大,当倾角增大到一定程度后(>45),底板岩层在卸荷过程中发生的运动也会导致断裂、鼓出,形成滑移体并产生沿滑移面(与工作面底板岩层成一定夹角)的滑移。从应力变化的角度看,44208工作面底板下滑有以下特点:(1)底板变形的内因是围岩应力的“二次分布”,与围岩的岩性、层理、节理、分层厚度等参数有关。(2)失稳变形一般出现在靠近煤层的伪底及直接底板,深部的底板岩层变形和移动特征不明显。若底板表面岩层被原生裂隙(节理)或人为外力切割成“结构体+结构面”形

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