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近距离煤层开采覆岩结构运动及矿压显现规律研究

于辉  
【摘要】:本文以六家矿近距离煤层群为实际工程背景,综合采用理论分析、计算机数值模拟、室内相似模拟实验以及现场矿压观测等手段,对近距离煤层开采覆岩运动及矿压显现规律进行深入系统的研究,得到如下结论:1.近距离煤层间覆岩结构模型及失稳特征(1)根据六家矿近距离6#煤层群工作面上覆岩层结构分布特征,将近距离煤层采空区下煤层间覆岩结构分为两类:煤层间无基本顶结构、煤层间存在基本顶结构。当煤层间存在基本顶结构时,基本顶破断后将有“砌体梁”结构和“悬臂梁”结构两种存在形式。(2)根据采场的薄板矿压理论,对工作面基本顶断裂力学模型进行了研究,建立了多种支承条件下的弹性薄板结构,首采工作面开采期间,在基本顶初次断裂前,可将其视为四边固支板,断裂后视为三边固支一边简支板,在接续工作面开采期间,在基本顶初次断裂前,可将其视三边固支一边简支板,断裂后视为两相邻边固支两相邻边简支板。对建立的4种采场薄板力学模型利用能量原理和ANSYS数值解法进行求解,计算得到工作面基本顶弯矩分布情况,进而可求得基本顶断裂步距。(3)建立基本顶断裂后关键块力学模型,分别求得基本顶初次断裂和周期断裂后岩块发生滑落失稳和回转变形失稳的条件,从而得出基本顶断裂后以“砌体梁”结构或“悬臂梁”结构形式存在的条件。2.近距离煤层工作面矿压显现规律通过对3个具有代表性的近距离下部煤层工作面矿压显现规律进行总结,并分析比较它们之间的差异性,得出了近距离下煤层工作面矿压显现特征:(1)近距离下部煤层工作面来压显现不明显,来压时动载系数低,平均仅为1.182,支架工作阻力升高幅度较小。(2)工作面来压歩距不均匀,呈现大小周期性变化,这与上覆岩层不同层位基本顶周期性失稳有关,工作面周期来压步距不大,平均19.6m。(3)工作面初次来压与层间结构关系较大,当层间距较小,层间岩层只存在直接顶时,工作面初次来压步距较小,与周期来压没有明显的区别,当层间距较大,层间存在完整的基本顶岩层时,初次来压步距较大。(4)近距离煤层间存在坚硬基本顶时,工作面将受到上部关键层与本煤层基本顶双重来压作用,来压程度较层间无坚硬基本顶结构有所增加。3.近距离煤层开采覆岩结构运动特征(1)近距离煤层首采1#煤层开采与下部煤层开采覆岩结构运动特征有较大区别,首采煤层开采时,覆岩运动规律与单一煤层开采相似,随工作面推进逐渐经历直接顶初次垮落-基本顶初次断裂-基本顶周期性断裂等阶段。(2)开采下部2#煤层时,由于煤层间距较小仅有2m左右,层间岩层为随采随冒的直接顶,不存在可形成基本顶结构的坚硬岩层,因而对工作面顶板来压起控制作用的主要为已采1#煤层基本顶结构,随工作面推进已破断的下位基本顶发生回转变形,并伴随滑落失稳,造成工作面来压,工作面推进到前方70m距离时,1#煤层上位基本顶达到抗拉强度极限发生初次破断,进一步加剧了工作面来压,因此,对2#煤层工作面来压起主要作用的为上煤层完整上位基本顶破断和已破断下位基本顶失稳。(3)开采下部3#煤层时,由于本煤层与上部已采2#煤层间距较大达到9m,且两层煤之间的夹层有稳定的砂岩结构,可形成基本顶岩层,与上部2#煤层开采时只存在直接顶有显著不同,随工作面推进,本煤层基本顶逐渐达到顶板的抗拉极限发生周期性断裂,同时上煤层已断裂并重新达到平衡结构的下位基本顶也发生回转滑落失稳,加剧了工作面来压现象。因此,当煤层间存在坚硬基本顶结构时,工作面来压受本煤层基本顶周期性断裂、上部基本顶关键层铰接平衡结构失稳双重影响作用。4.近距离煤层开采应力分布规律(1)首采煤层开采时本煤层与下部煤层应力分布具有如下规律:①开采最初阶段工作面前方支承压力峰值随工作面推进逐渐增加,1#煤层从切眼推进到70m距离时垂直应力逐渐达到最大值,由24.13mpa增加到33.48mpa,最大应力集中系数由1.40增加到1.94,随后工作面前方支承压力有所降低并逐渐趋于稳定。②采空区中部垮落岩石压实区域支承应力随工作面推进逐渐增加,工作面推进110m时采空区中部60m范围垮落岩石被压实,压实区应力峰值超过了工作面前方支承压力峰值。③下部煤层受采动影响明显小于上部煤层,推进过程中工作面前后压实区域支承压力均低于上部开采煤层,影响程度随距开采煤层距离增加而减小。(2)下部煤层开采应力分布具有如下规律:①由于上部煤层已采,下部煤层开采位于上煤层采空区下,支承压力分布规律与首层煤开采时显著不同,从切眼开始工作面将逐步受到上层煤开采后的应力降低区-垮落岩石压实区-应力降低区影响。②随工作面推进,在本煤层工作面采空区内,上覆岩层将重新压实,逐步形成新的支承压力区,工作面前方与采空区压实区支承压力峰值显著小于首煤层开采,受本煤层开采影响工作面前方支承压力升高系数较小,但由于上覆岩层裂隙带和弯曲下沉带范围增加,切眼与停采线处支承压力相应增大。③下部3#煤层受2#煤层开采影响程度减轻,采空区支承压力小于2#煤层,接近原岩应力水平,且工作面前方支承压力升高不明显,当工作面推进到90m,位于上煤层压实区域外的应力降低区时,前方支承应力有较大增加。④由于均为采空区下开采,3#煤层开采时应力分布规律与2#煤层开采时较为接近,由于上部采空区压实区应力降低,工作面前方支承压力峰值进一步减小,但切眼煤壁与停采线处支承应力继续增加。(3)不同层间距下部煤层开采矿压显现规律:不同层间距下部煤层开采工作面前后应力分布特征相差不大,但上覆岩层运动特征具有明显区别,当层间距较小时,煤层间只有直接顶,随着层间距增加,当层间存在坚硬基本顶时,工作面来压不仅受到上部关键层破断失稳影响,也受到本煤层基本顶破断影响。5.近距离煤层开采室内相似模拟实验研究(1)下部煤层开采直接顶初次垮落步距和基本顶初次断裂步距均小于上部煤层开采,上煤层开采到40m左右时,直接顶初次垮落,开采到50m左右时,基本顶初次断裂,下煤层直接顶初次垮落步距和基本顶初次断裂步距分别约为30m和45m。(2)随着工作面推进,工作面前方煤壁支撑区支承压力峰值逐渐增加,采空区后方离层区卸压范围和卸压程度逐渐增大,同时,由于采空区上覆岩层逐渐触矸压实,工作面推进到110m时,压实区应力达到了原岩应力水平。(3)在下煤层工作面推进过程中煤壁前方支承压力峰值整体呈上升态势,但由于下煤层位于上部采空区下,上部顶板压实范围较小,因而下煤层工作面整体处于应力降低区,应力峰值小于开采相同距离时的上煤层工作面前方应力峰值,但工作面停采线110m煤壁处的支承应力却较上煤层开采时有明显上升,这主要是由于采动范围的增加,导致裂隙带范围增大,使两侧煤壁支撑区承担载荷相应增加。(4)由于下部开采煤层与上部已采煤层间存在基本顶结构,在下煤层工作面推进过程中,工作面来压将同时受到本煤层基本顶断裂与上煤层已断裂基本顶变形失稳的影响。6.近距离煤层工作面支架合理工作阻力及适应性研究(1)根据三种煤层间结构模型,以及对基本顶断裂失稳特征的分析,建立了三种近距离煤层工作面支架-围岩关系模型,并确定了不同模型下支架工作阻力计算式。(2)基于WⅡN36-6工作面的实测矿压统计数据,按照载荷估算法和现场实测法对工作面支架合理工作阻力进行了估算,得到了满足工作面生产安全要求的支架合理工作阻力。(3)对工作面现有支架进行了承载特性与适应性分析,从初撑力合格率与平均值来看,工作面支架初撑力偏低,达不到额定初撑力的75%,合格率也不足65%,与支护要求相差甚远,因此必须采取有效措施增加支架初撑力,保证初撑力的合格率。(4)支架循环末阻力分布基本呈现前低后高形,即低工作阻力所占比例较小,高工作阻力特别是大于额定阻力90%的末阻力所占比例较高,表明支架阻力富余程度不大,但支架阻力超出额定阻力的比例很小,总的来说可以满足工作面生产要求。本文以六家矿近距离煤层群为实际工程背景,采用多种技术方法,对近距离煤层开采煤层间覆岩结构分类、覆岩结构运动特征及工作面矿压显现规律、基本顶破断失稳力学模型、支架工作阻力及承载特性等进行了进行深入系统的研究,获得了大量有益的结论。


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