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我国两部赋存大量35°以上的大倾角(35°~55°)煤层。虽然大倾角或急倾斜煤层在全国只占15%~20%的储量,但西部矿区50%以上矿井开采有大倾角煤层,如主要产煤省(区)的四川、重庆、贵州、新疆、甘肃、宁夏等,大倾角(急倾斜)煤层是许多矿区或矿井的主采煤层。随着21世纪我国矿产资源开采重点西移,煤炭开发已成为西部地区经济发展的重要支柱,显然,对大倾角煤层开采的研究将是西部煤炭开采重大问题。大倾角煤层开采目前的发展水平远低于缓倾斜煤层,存在着一系列没有解决的基本技术难题,因而研究大倾角煤层的开采方法,特别是岩层控制理论与技术,既非常必要,又十分迫切。
平煤集团香山矿开采煤层为大倾角煤层,采场矿压规律及上覆岩层活动规律与一般缓倾斜煤层显著不同。全面掌握大倾角煤层开采以后上覆岩层的活动规律以及工作面矿压规律,对指导煤矿生产实践具有重要的经济和工程意义。研究得出了大倾角、大采长工作面采场剪切应变主要出现在下端部顶板和上端部底板的结论,该结论对工作面顶板控制设计具有指导意义。
大倾角煤层开采的矿山压力显现规律的研究方面,尽管近年来不少学者在积极地进行探索,但系统的研究工作一直没有展开,在围岩控制、开采方法设计上主要依靠缓倾斜和急倾斜煤层的研究成果。显然,这种状况会不可避免地制约大倾角煤层的高效与安全开采。走向长壁开采工作面,不同区域矿山压力显现程度不同,引发的对围岩控制主导指标的随机确定问题;底板破坏滑移使含矸率上升,煤炭质量下降的问题等。
建立了大倾角、大采长工作面采场冒落矸石下滑充填顶板结构模型,认为工作面不同地段矿压显现机理不同,提出了大倾角,大采长工作面上覆岩层活动规律的非一致性和矿压显现的多机理观点。
大倾角、大采长条件下冒落矸石下滑充填对顶板的支撑作用使采场下段直接顶可能形成走向或倾斜方向的复合型结构。探讨了项板岩层的运动及其结构形式、平衡条件和变化规律。
采用光弹性模拟实验方法,对大倾角、大采长工作面上覆岩层活动规律进行了研究,给出了大倾角、大采长工作面围岩的应力光图,揭示了大倾角、大采长工作面顶板运动机理。研究建立了大倾角、大采长工作面采场冒落矸石下滑充填顶板理论模型,认为工作面不同地段矿压显现机理不同,提出了大倾角,大采长工作面上覆岩层活动规律的非一致性和矿压显现多机理学说。研究得出了大倾角、大采长工作面采场顶板应力分布图的高度非均匀、非对称性。随着煤层倾角的增大,围岩应力光图有显著变化。给出了大倾角、大采长顶板岩层移动的剪切滑移理论模型。
大倾角煤层开采后,由于采场上覆岩层载荷沿层面方向的分量增加而法向分量却相对减小。因此造成其矿压显现规律与缓倾斜煤层有显著差异。由于大倾角煤层的开采较少,这方面的矿山压力研究也相对较少。已有的研究主要是通过现场实测和模型试验进行的,在采场来压预报、支护设计以及老顶结构分析等方面取得了一些重要进展。对大倾角煤层安全开采起到了积极的作用。但是由于研究方法的限制,还不能对上覆岩层的运动和破坏作出直观确切的描述,老顶岩层所形成的力学结构也无法形象的展现出来。因此弄清采场上覆岩层的运动与破坏规律,对于采场与回采巷道的岩层控制,丰富矿压理论具有重要意义。大倾角、大采长煤层上覆岩层活动规律具有明显的不对称性;在上覆岩层形成拱结构,一个拱脚在采空区上侧煤柱上,另一个拱脚在采空区下部冒落充填矸石上。
冒落带的高度主要取决于采出厚度和上覆岩石的碎胀系数,通常为采出厚度的3~5倍。顶板岩石坚硬时,冒落带高度为采出厚度的5~6倍。由于大倾角煤层走向长壁开采后,上部采空区矸石的向下部滑落充填,使上部实际采高大于煤层厚度,导致上部冒落带偏高;采空区下部有上部矸石滑落充填,导致实际采高小于煤层开采厚度,所以下部冒落带偏小,甚至不冒落。因此,采场倾向中上部上覆岩层冒落较为充分,而下部不冒落。
大倾角、大采长煤层采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力。剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱。
顶板下沉量最大值偏向采场倾向下部,底板出现较大水平位移,其最大值偏向采场倾向上部底板。
工作面长度对工作面的顶板下沉规律有较大影响,工作面长度越大,相应位置顶板的下沉量越大。工作面长度从80m增大到100m时比从60m增大到80m时对顶板下沉量影响更大。
工作面长度对工作面支承压力峰值大小及应力集中系数有较大影响,工作面长度在100m以下时,影响较大,在100m以上时,影响较小。说明大倾角煤层开采最优采长存在临界值,当采长超过临界值时,采长对采场侧向支承压力分布特点影响较小。
通过现场实测、相关矿压理论分析、实验室光弹模拟试验及FLAC3D和RFPA数值模拟等多种手段,从不同角度对大倾角、大采长工作面上覆岩层活动规律进行全面研究。掌握了大倾角、大采长工作面顶板岩层的运动及其结构形式、平衡条件和变化规律。