急倾斜特厚煤层采场结构失稳相似模拟实验分析

作者:申晓东; 刊名:山西冶金 上传者:黄子钧

【摘要】综合应用了相似模拟实验与理论分析的方法,对45°特厚煤层开采过程中采场结构失稳特征及其致灾理论进行了分析,对类似条件煤层的安全开采具有一定的指导意义。

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45°特厚煤层开采过程中,采场煤岩体在顶板岩层与松散体的相互作用下,容易形成某种结构,从而对采空区上覆岩层与松散体起到一定的支撑作用,且该类结构的形成与失稳,对采场强矿压致灾形式与强度有直接的影响[1-2]。因此,本文应用相似模拟实验与理论分析的方法,对采场结构的失稳特征与能量变化规律以及致灾特征进行分析[3-4]。1相似模拟理论及模型设计1)工作面地质赋存特征。某煤矿北采区位于八道湾向斜北翼,地层走向北东67°,倾向南东157°,西陡东缓,采区地面平均标高为+790 m。目前采区主采煤层为43号和45号煤层,煤层结构简单,平均厚度分别约为41.3 m、30.6 m,倾角43°~51°。43号煤层与45号煤层间岩柱为坚硬的粉砂岩(f=3.5~4),平均厚度约为102 m。老顶与直接顶及底板均为粉砂岩,泥钙质胶结,直接顶厚度为3~5 m。煤层上部受原铁厂沟煤矿与已废弃小煤窑不同程度的采动影响。其中,原铁厂沟煤矿45号煤层已开采至+707 m水平,43号煤层开采至+726 m水平,开采深度为70~90 m,其他废弃小煤窑的开采垂深为67~125 m。45号煤层直接顶主要为粉砂岩,厚度3~5 m。煤层底板主要为炭质泥岩。2)工作面布置特征。由于45°特厚煤层特殊的地质赋存特征,导致其很难应用水平煤层的工作面布置方式。2采场结构失稳过程及结果分析2.1采场结构失稳特征1)第一分段开采过程中覆岩破坏特征分析。第一分段采取随采随放的开采方式,沿煤层走向推进。当工作面推进至2~3 cm时,顶板岩层靠近工作面位置形成多条纵向、横向裂隙;随着工作面的推进裂隙发育程度升高,当工作面推进至4~5 cm时,顶板岩层在沿走向0~3.6 cm,倾向2.6~9.4 cm的范围内发生垮落现象,垮落高度为沿煤层法向1.2 cm;此后,伪顶岩层随工作面的推进,沿煤层倾向与法向的垮落范围不断扩大,而沿煤层法向的垮落高度变化较小。当工作面推进至7.0~8.3 cm时,直接顶岩层在沿煤层倾向4.8~10.1 cm,沿煤层走向0~3.6 cm的范围内发生垮落,垮落高度为沿煤层法向2.3 cm;当工作面推进至10.8~11.4 cm时,伪顶岩层沿倾向垮落高度扩展至工作面上边界;当工作面推进至13.5~14.1 cm时,部分直接顶岩层沿倾向垮落高度也扩展至工作面上边界;随工作面的继续推进,顶板岩层垮落范围扩展速度加剧,工作面推进至17.6~18.7 cm时围岩发生大面积垮落,局部顶板岩层沿煤层法向的垮落高度达3.6~14.0 cm,部分围岩裂隙已扩展至模型上边界,已垮落的直接顶岩层与采空区内的松散体相互铰接形成自稳结构。根据上述对工作面推进过程中,采场覆岩运移特征描述可知:在第一分段开采过程中,覆岩未发生大范围垮落,且与上覆松散体形成自稳结构,表明此时采场煤岩体裂隙发育程度较差,处于蓄能阶段。2)第二分段开采过程中覆岩破坏失稳特征分析。开采初期第二分段工作面围岩相对稳定,工作面煤体未出现明显裂隙发育情况,顶煤亦无明显下沉现象,此时工作面顶板处于弹性可恢复阶段。随着工作面继续推进到8.4 cm时,由于顶煤的不断放出,为残留煤体及采空区内松散体向下运移提供了运移空间,使顶板岩层受到的支撑应力减小,工作面顶板裂隙扩展速加快,甚至局部开始发生下沉,且随着时间图1第一分段开采前后覆岩赋存特征的推移,下沉量进一步增大,此时工作面顶板处于塑性阶段。随着第二分段的开采,第一分段采空区处的那条裂隙由于承受的载荷继续增加,裂隙继续发育扩张到基本接近至地表处,随着第二分段的继续开采那条裂隙带贯穿至地表导致沿裂隙带右

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