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深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律研究

刘家云  
【摘要】:随着浅部资源的逐渐枯竭,深部开采成为世界各国资源开发的发展趋势。而深部开采是一个复杂的课题,与浅部开采有着明显的区别,一些理论还未完善,特别是对深部条件下的仰斜开采研究比较少,对深部仰采条件下工作面覆岩破坏规律的认识还不全面,不足以指导实际生产。因此,对深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律的研究具有重要的意义。本文以开滦集团唐山矿为地质背景,主要研究工作及结论有:(1)对深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏机理进行的研究,包括:针对不同的开采角度,分别分析了不同角度下的工作面覆岩变形破坏形式,得出当所采煤层倾角较小时(12°以下),工作面覆岩的变形破坏形式可划分为垮落带,裂缝带和弯曲带,当所采煤层倾角较大时,工作面覆岩的变形破坏形式可分为岩层的垮落、弯曲及沿层理面的滑移;建立基本顶初次来压与周期来压的力学模型,得出基本顶来压时的破断位置为上支承端上表面,计算出基本顶的初次来压与周期来压步距分别为112.68m、35.4m;通过分析深部仰斜开采工作面前上方煤岩受采动及沿煤层向下的层向分力的影响,得出工作面上方岩梁在工作面前方就有可能发生断裂,出现超前裂隙。(2)利用相似模拟实验通过对不同推进距离下工作面覆岩的垮落形态、位移及应力变化进行分析,得出:①老顶的初次垮落步距约为120m,影响高度约为30m,周期垮落步距约为30m,影响高度约为45m。受沿煤层倾斜向下的层向分力的作用,老顶周期性垮落体的形状呈平行四边形,一对平行线与煤层倾斜方向一致,一对平行线与工作面的推进方向形成一个钝角,即垮落体有沿煤层倾斜方向向采空区一侧滑移的趋势。②在仰采工作面推进过程中,超前工作面30-90m位置会产生与工作面推进方向成110°-130°的裂隙,裂隙的影响高度约为105-199m,裂隙的产生导致工作面覆岩的下沉量增大,裂隙附近的覆岩应力发生突然释放而减小。③在回采及超前裂隙的作用下上覆岩层的破坏影响范围呈现出梯形演化规律。④在保护煤柱与工作面前方一定位置处会出现集中应力,在老顶发生初次垮落时应力集中现象最明显,应力值分别为33MPa、29.9MPa,应力集中系数分别为2.06、1.87。(3)运用数值模拟的方法对不同推进距离的工作面覆岩的垮落形态、位移与应力变化情况进行研究,得出:①老顶的初次垮落步距为115m,初次垮落影响高度约为25m。周期垮落步距为35m,周期垮落的影响高度约为40m。垮落后的岩体有向采空区滑移的趋势。②工作面前方一定范围煤岩与工作面后方保护煤柱会出现应力集中现象,边界保护煤柱一直处于应力集中状态。当老顶初次垮落时应力值达到最大,保护煤柱处与前方煤岩的应力值分别为35MPa、32MPa。(4)结合理论分析、数值模拟与相似模拟实验研究及煤矿实际情况,提出深部仰斜开采下需注意的几个关键问题并提出了相应的防治措施。


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