急傾斜特厚煤層水平分層開采技術(shù)研究

劉勝

摘 要：急傾斜煤層在我國缺煤地區(qū)占據(jù)較大的比例。本文通過物理試驗和數(shù)值模擬對急傾斜煤層開采過程中的覆巖變化規(guī)律進行了研究，研究表明：在開采初期，每一分段的開采都會導(dǎo)致前分段開采形成的破碎塊體的滑落，而在開采后期，由于巖塊的鉸接固定作用，破碎塊體進一步向下滑落的趨勢；煤層厚度越大就越難形成穩(wěn)定的拱形平衡結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：急傾斜特厚煤層 水平分層開采 覆巖

我國煤炭資源豐富，但是由于不同的地質(zhì)構(gòu)造條件不同，煤炭資源開采的難度也不盡相同。急傾斜煤層在我國的新疆、青海、甘肅等西部地區(qū)和四川、貴州、海南等南方缺煤地區(qū)占據(jù)相當大的比重。急傾斜煤層的形成是由于初期地殼的不均勻沉降導(dǎo)致后期褶皺和斷裂運動的結(jié)果，煤層傾角從45°到90°變化，煤層較為復(fù)雜，在地質(zhì)構(gòu)造作用下呈扁豆狀、串珠狀或藕節(jié)狀。急傾斜特厚煤層水平分段綜采放頂煤開采是近年來發(fā)展起來的一種急傾斜特厚煤層的新型開采方式，對急傾斜特厚煤層按照一定的高度分成若干段，在分段內(nèi)先采出底部工作面的煤，隨即放出上部頂煤的采煤方法稱為水平分段放頂煤采煤法。對于急傾斜特厚煤層水平分段綜放開采的研究，我國已經(jīng)較為深入，但是對于復(fù)雜不穩(wěn)定的急傾斜特厚煤層目前尚無系統(tǒng)的研究，因此本文通過對急傾斜特厚煤層煤層傾角變化大、煤層厚度變化大、煤層較軟、斷層構(gòu)造發(fā)育、等復(fù)雜不穩(wěn)定條件為背景，對急傾斜特厚煤層水平分層開采關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 物理試驗研究

1.1 煤礦煤層地質(zhì)條件

目前采用聯(lián)合布置方式開采C1、C2、C3煤層，煤層最大厚度達50m，一般煤層厚度15-45m之間，煤層傾角在30°-90°之間，采用水平分段輕型支架放頂煤開采工藝。

1.2 物理試驗參數(shù)

試驗采用false的二維平面應(yīng)力試驗臺，保證實驗?zāi)Ｐ秃驮偷膸缀蜗嗨?、容重相似和強度相似，如?所示為物理試驗?zāi)Ｐ偷南嗨票取?/p>

1.3 實驗結(jié)果

在第一和第二分段開挖后，上層覆巖沒有明顯的變化。第三階段開挖后，覆巖直接頂開始出現(xiàn)微小的裂隙，隨著試驗的進行，逐漸出現(xiàn)大裂隙的離層，最后直接頂垮落，垮落厚度為3cm，長度33cm。第四分段開挖后，采空區(qū)的煤矸石和巖層進一步下滑至下一分段巖層上方，繼續(xù)向上垮塌，并且在上覆巖區(qū)出現(xiàn)裂縫。第五分段開挖后，采空區(qū)的冒落體繼續(xù)下滑，同時繼續(xù)向上垮落。第六分段開挖后，采空區(qū)的小塊體不斷下滑，大塊體以靠近頂板一側(cè)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生劇烈的垮塌。第七分段開挖后，前幾分段開挖后的冒落體相互鉸接形成固定支撐作用，只有少許小塊體滑落到下方。第八分段開挖后跟第七分段開挖后結(jié)果較為一致，只是在最后的上層覆巖中出現(xiàn)幾條裂隙并逐漸擴大。第九分段開挖后，采空區(qū)整體下滑，覆巖的破裂幾乎貫通至地表。第十分段開挖后，只有少數(shù)的破碎體滑落下來，采空區(qū)上部幾乎沒有變化，并且在采空區(qū)由于鉸支作用形成一個空洞。第十一分段開挖后，之前鉸支固定的塊體再次發(fā)生滑落破壞，上部覆巖出現(xiàn)大量的裂隙。由以上分析可知，急傾斜特厚煤層水平分段開采，開采初期和后期的覆巖垮落形態(tài)具有較大的差異性。在開采初期，每一分段的開采都會導(dǎo)致前分段開采形成的破碎塊體的滑落，而在開采后期，由于巖塊的鉸接固定作用，破碎塊體進一步向下滑落的趨勢。

2數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 不同分段開采數(shù)值模擬結(jié)果

煤層傾角為35°時，不同分段開采后的覆巖垮落情況數(shù)值模擬。第一分段開采后，上方起保護作用的煤柱開始向采空區(qū)冒落，同時直接頂開始出現(xiàn)彎曲變形的情況。第二分段開挖后，直接頂部分垮落在頂煤上方，覆巖呈拱狀平衡結(jié)構(gòu)，起到支撐作用。第三分段破壞后，拱形結(jié)構(gòu)還起到支撐作用，與第三分段開挖后較為相似。第四分段開挖后，拱形結(jié)構(gòu)破壞，覆巖產(chǎn)生大規(guī)模的垮塌破壞。第五分段開挖之后，覆巖再次形成了拱形平衡結(jié)構(gòu)，底板巷一側(cè)的冒落煤巖體部分下滑至工作面頂煤上方。第六分段開挖后結(jié)果與第五分段較為類似。第七分段開挖后，拱形結(jié)構(gòu)再次破壞，覆巖發(fā)生第二次的大規(guī)模的垮落現(xiàn)象。第八、九、十分段開挖后與前兩次覆巖垮塌結(jié)果類似，先形成支撐結(jié)構(gòu)，最后在破壞，覆巖垮塌。第十一分段開挖后直接頂?shù)诙伟l(fā)生完全垮塌，并且壓到底板上形成新的平衡結(jié)構(gòu)，由于開采深度的不斷增加，工作面上上方冒落的破碎塊體進一步增加，第十二分段開挖后，平衡結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，覆巖未發(fā)生明顯的移動。

2.2覆巖破壞形態(tài)隨煤層厚度的變化

不論煤層厚度如何變化，覆巖的移動都是因應(yīng)力場的重新分布形成的心得平衡結(jié)構(gòu)。煤層厚度為24m和30m時覆巖的破壞規(guī)律非常相似，每次覆巖垮落時都在底板上形成新的穩(wěn)定的平衡結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)拱形結(jié)構(gòu)。隨著煤層厚度的增加，覆巖的破壞規(guī)律較煤層較薄覆巖破壞規(guī)律具有較大的差異，覆巖垮落時無法形成拱形平衡結(jié)構(gòu)，主要是覆巖垮落時破碎距離未能超過工作平面的長度導(dǎo)致的。由以上分析可知，當煤層厚度較小時，較容易產(chǎn)生拱形平衡結(jié)構(gòu)，當煤層超過30m時，覆巖垮落形成穩(wěn)定的拱形平衡結(jié)構(gòu)難度增大，此時，煤層厚度越大就越難形成穩(wěn)定的拱形平衡結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

（1）急傾斜特厚煤層水平分段開采，開采初期和后期的覆巖垮落形態(tài)具有較大的差異性。在開采初期，每一分段的開采都會導(dǎo)致前分段開采形成的破碎塊體的滑落，而在開采后期，由于巖塊的鉸接固定作用，破碎塊體進一步向下滑落的趨勢。

（2） 當煤層厚度較小時，較容易產(chǎn)生拱形平衡結(jié)構(gòu)，當煤層超過30m時，覆巖垮落形成穩(wěn)定的拱形平衡結(jié)構(gòu)難度增大，此時，煤層厚度越大就越難形成穩(wěn)定的拱形平衡結(jié)構(gòu)。

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