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采空区煤柱下特厚煤层综放采场覆岩结构及运移规律研究

张彦斌  
【摘要】:在煤层开采过程中,需要留设一些保护煤柱维持巷道和顶板的稳定,但是不能否认煤柱是煤炭开采的“万恶之源”。采空区残留煤柱对上导致顶板至地表围岩不均匀沉降,对下引起底板应力非均匀分布。对于下层煤开采而言,煤柱的应力集中对下煤层具有较大的影响。采空区煤柱下层间岩层为30~80m时,对于普通工作面没有明显影响,但是对于14m以上的特厚煤层大采高综放采场影响较为显著。上覆采空区碎裂岩体在底部煤层大范围开挖后,层间岩层自承能力不强,以某种碎裂结构形式传递载荷并作用在下覆基岩上。当基岩不足以形成结构时,上层采空区与下层采空区全贯通,导致工作面出现整体切落式压架事故的发生。煤柱的集中应力作用加剧了这种强矿压显现压架事故的发生。本文以斜沟煤矿13#煤为具体工程背景,综合理论分析、数值模拟、相似模拟以及实测等手段,研究上覆采空区岩层及煤柱变形、运移及破坏特征对下组厚煤层开采影响的煤岩移动规律,动态分析煤岩失稳灾变过程,并寻求控制煤岩动力灾害的主控煤岩层及结构形成与失稳条件,探索上层采空区煤柱与下层采空区全厚贯通切落压架的条件并建立对应的判断准则,以分析支架工作阻力确定原则和方法。得到以下主要结论:(1)8#煤层采空区主要以两侧采空区煤柱存在为主,煤柱对底板覆岩影响较大。煤柱在顶板载荷的作用下会产生变形破坏,直至丧失稳定性。基于煤柱极限载荷、流变特性和突变理论对煤柱稳定性进行判断,最终求得煤柱的极限宽度为8.9m。小于临界宽度时煤柱完全失稳破坏;大于临界宽度时将产生应力集中。通过理论分析,建立不同的力学模型,对煤柱应力集中下底板的应力传播及破坏深度进行研究。(2)研究特厚煤层综放开采矿压规律,并对初次来压、周期来压垮落特征进行分析,给出破断距计算式。同时利用关键层判断理论,将斜沟煤矿覆岩进行关键层的判定。利用理论分析,对直接顶、基本顶和进出煤柱阶段覆岩的破坏运移过程进行定性分析。(3)对于采空区煤柱下层间岩层为55m的综放工作面,出煤柱阶段覆岩出现整体切落式破坏、会造成工作面压架等灾害。煤柱宽度、煤柱间距以及煤柱密度不同参数条件下,覆岩结构的运移破坏及对底板伏岩的影响程度也不同。不同宽度单一煤柱下,煤柱越宽,对底板伏岩影响程度和区域也越大。对于多煤柱条件下,煤间距在一定范围内,可视为一个整体煤柱;当煤间距等于某个值时,出现临界值点,覆岩结构由煤柱大的一侧决定;当煤间距大于某个值时,形成独立的影响区域。同时依据模拟和试验结果,建立力学模型,对压架机理提出判断准则,并对煤柱影响区域宽度进行预测。(4)对于煤柱下层间距为55m的综放工作面出现压架的问题,主要集中于采空区贯通及出煤柱的位置。通过建立不同条件下的支架围岩结构模型,分析了采空区煤柱下特厚煤层开采的压架机理,得到合理支架工作阻力计算方法。研究表明出煤柱阶段,支架需要27766.4KN的工作阻力才能保证采场围岩安全与稳定。现有支架很难满足如此大的工作阻力,传统只能通过调斜工作面、降低采高、加快推进速度(只采不放)等被动措施保证采场围岩的稳定。(5)提出采用深孔爆破煤柱或主控岩层的方法,通过主动改变围岩结构保证采场围岩的稳定,并通过数值模拟加以初步的验证。


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