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大倾角煤层开采覆岩结构特征分析

王红伟  
【摘要】: 大倾角煤层是指埋藏倾角为35°~55°的煤层。随着我国东部易采资源枯竭、开采重点的西移,大倾角煤层开采问题已经成为西部地区区域经济发展、东部矿区保持高产高效和可持续发展过程中亟待解决的问题。受煤层倾角、地质构造等多因素影响,大倾角煤层开采覆岩结构是一个具有复杂性、动态性、非线性的空间问题。分析大倾角煤层开采覆岩结构特征,对大倾角煤层开采理论的建立具有重大意义,对采场支护结构参数设计、采场围岩矿山压力控制、安全开采等工程实践具有重要的参考价值。 本文以大倾角煤层采场大范围覆岩为研究对象,通过物理相似材料模拟、数值模拟和理论分析相结合的综合研究方法,对大倾角煤层开采覆岩运移规律、力学特征及覆岩结构进行了全面、系统研究,主要得出以下结论: 1.大倾角煤层开采覆岩垮落形态沿工作面倾斜方向呈不对称拱形特征,各主要因素对顶板最大断裂高度影响程度依次为:煤层倾角顶板岩层强度采煤高度,并获得顶板断裂高度的预测公式: H = 168.3 ? 2.45 X 1 ? 9.53 X 2 ? 0.65X3,通过与实测数据进行了对比,验证了预测公式的合理性。 2.揭示了大倾角煤层开采覆岩运移在空间上的不对称性、时间上的不同步性,得出覆岩应力非均匀分布规律,顶板应力释放区主要位于工作面中上部区域,底板应力分布表现为沿工作面倾向自上而下逐渐减小,工作面上部支承压力较小,峰值点距工作面较远,下部支承压力较大,峰值点距工作面较近。 3.提出大倾角煤层开采覆岩宏观应力拱壳结构,该结构具有几何形态非对称性和应力分布不规则性,构建出应力拱壳的分析模型,得出覆岩应力拱壳形态方程,对采场围岩宏观应力拱壳和采动裂隙发育形态参数的影响因素进行系统分析,根据煤岩体的失稳破坏形式,得出应力拱壳的四种失稳模式:压缩失稳模式、拉伸失稳模式、剪切失稳模式和复合失稳模式,给出四种失稳模式的失稳判据。 4.结合新疆焦煤集团有限责任公司主焦煤矿井大倾角煤层开采25112工作面具体情况,应用所构建的应力拱壳分析模型,给出该条件下应力拱壳形态方程,随着工作面的推进,该应力拱壳首先从壳顶和壳肩处发生拉伸失稳,证明分析模型是可行的。


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