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近距离煤层采空区下工作面覆岩破断规律研究

曹鹏  
【摘要】:开采采空区下近距离煤层时,煤层间采动影响相互叠加,导致各煤层间覆岩移动量、应力卸压区与集中区相互叠加影响,采场应力分布和岩层移动变得更加复杂,矿压显现规律与单一煤层开采差异显著,对采空区下工作面顶板控制和安全高效生产提出了更高的要求。为了得到采空区下工作面覆岩破断规律及其支护强度,采用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场验证等手段进行研究,得到的主要研究结论有:根据煤层间距及上部煤层开采后对层间岩层的破坏情况,将下煤覆岩结构分为层间无基本顶、层间完全损伤基本顶、层间部分损伤基本顶和层间完整基本顶,并得到其分类判据。其中,层间无基本顶和层间完全损伤基本顶覆岩破断规律与单一煤层开采区别明显,层间部分损伤基本顶和层间完整基本顶覆岩破断规律接近于单一煤层开采。通过数值模拟得到,上部单一煤层工作面开采时,应力集中系数K不断增大,前期增长迅速后期缓慢。继续开采下部煤层,以层间完全损伤基本顶结构为例,开采初期K有小幅回落,中期平稳增长,后期降低,两煤层间塑性破坏区域变化不明显,说明下部煤层开采时已无明显周期来压。影响各类覆岩结构破断规律的主要因素为上部煤层底板破坏深度和煤层间距。以下峪口矿3煤23307工作面和3 下煤23307(下)工作面近距离煤层为相似模拟对象进行实验,分析得到23307工作面单煤层开采具有明显的周期来压阶段,平均周期来压步距19m;下部煤层23307(下)工作面回采时周期来压不明显,顶板随采随落,上部煤层采空区覆岩压实度增幅较大,垮落带向高层位发展达到26.12m,裂隙带高度为63.97m。结合现场取样实测根据理论计算得到23307工作面底板最大破坏深度为11.9m,判定23307(下)工作面顶板为层间完全损伤基本顶结构;现场矿压观测得到23307(下)工作面基本顶平均破断步距较小,为9.6m,破断时支架平均工作阻力为33.4MPa,整体上周期来压不明显,顶板随采随落。研究结果对采空下近距离工作面回采过程中顶板管理具有参考意义,有利于矿井安全生产。


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