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的二維平面應力試驗臺，保證實驗模型和原型的幾何相似、容重相似和強度相似，如表2所示為物理試驗模型的相似比。

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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