綜放開采覆巖高位結構穩(wěn)定性及強礦壓形成機理研究.pdf

1、隨著煤層深度及開采強度的增加，深井開采強礦壓現(xiàn)象突顯，嚴重威脅礦井安全高效生產(chǎn)。華亭礦區(qū)硯北煤礦采用綜放開采，開采厚度為12.0m，論文以硯北煤礦強礦壓為研究背景，應用關鍵層理論、物理相似材料模擬、數(shù)值模擬、巖石力學、材料力學、彈性力學等理論及研究手段，分析研究硯北煤礦綜放開采覆巖結構失穩(wěn)演化規(guī)律及其強礦壓形成機理，確定綜放工作面寬度和區(qū)段煤柱寬度與復合關鍵層控制范圍之間的關系，選取合理的工作面寬度及區(qū)段煤柱寬度以達到避災目的。主要研究

2、結果如下：
　　華亭礦區(qū)硯北煤礦煤5層開采覆巖具有“兩硬一軟”特征。綜合分析煤5層開采覆巖巖性特征及礦壓顯現(xiàn)情況表明：煤層頂板侏羅統(tǒng)地層中巖性較硬、分層厚度較大的砂巖分布較多，具有明顯的關鍵層特性；侏羅統(tǒng)之上新近系甘肅群巖層以泥巖類為主，夾砂巖、砂礫巖，為強風化帶，其與第四系黃土層組成覆巖上部松散加載層，總厚度180m左右。應用關鍵層理論計算分析硯北煤礦開采煤層覆巖特性，得出距煤5層頂板21.8m的位置19.8m厚的細砂巖為覆巖中

3、的亞關鍵層，也是開采煤層的老頂；位于覆巖中部的兩層厚度分別為20.19m和19.20m相鄰的細砂巖和粉砂巖為覆巖中的主（復合）關鍵層，即覆巖移動變形的主控制層。華亭礦區(qū)硯北煤礦覆巖具有明顯的“兩硬一軟”特征，兩硬指較堅硬的亞關鍵層和堅硬的復合關鍵層，一軟指覆巖上部到地表的厚松散層。
　　構造應力是強礦壓形成的條件之一。通過物理相似材料模擬研究，結合礦井生產(chǎn)實踐得出硯北煤礦長壁綜放工作面初次來壓步距為70~78m，周期來壓步距為26

4、~42m。水平構造應力對復合關鍵層破斷步距存在一定影響，存在構造應力時復合關鍵層的破斷步距大于非構造應力時破斷步距，同時構造應力的作用使得復合關鍵層破斷瞬間釋放更大彈性能，使得工作面礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。
　　覆巖中部復合關鍵層與其上方的應力拱構成控制覆巖破斷失穩(wěn)的大結構。相似材料模擬和數(shù)值模擬結果表明，煤5層綜放開采條件下，亞關鍵層位于冒落帶范圍，隨工作面開采產(chǎn)生初次破斷和周期破斷，不具備大范圍控制能力和高強度致災條件；復合關鍵層位

5、于覆巖中部，具備大范圍控制其上覆巖層運移的條件，其上覆巖層在運移過程中構成應力拱結構，當復合關鍵層破斷應力拱結構失穩(wěn)后，在其上覆巖層及厚松散層與其同步運動，釋放巨大動載能量進而導致采掘場形成強礦壓。
　　應用薄板理論構建了硯北煤礦復合關鍵層破斷力學模型，結合實驗模擬結果，分析了覆巖移動破壞演化規(guī)律及強礦壓形成機理。在研究覆巖中部復合關鍵層和其上部軟弱巖層及松散加載層構成的覆巖高位結構的基礎上，應用薄板理論構建了復合關鍵層破斷力學模

6、型，在復合關鍵層破斷步距計算公式中加入?yún)^(qū)段煤柱寬度的影響因子。經(jīng)計算給出復合關鍵層破斷時控制范圍，為確定合理工作面寬度、區(qū)段煤柱寬度奠定了理論基礎。通過理論分析給出，華亭礦區(qū)硯北煤礦煤5層開采覆巖中部復合關鍵層破斷瞬間釋放的沖擊載荷是強礦壓形成的主要條件，復合關鍵層控制范圍越大，其破斷前所承載的載荷和聚積的能量也越大，破斷時形成的強礦壓危害也越大。
　　應用數(shù)值模擬方法研究了工作面寬度和區(qū)段煤柱尺寸對強礦壓災害強度的影響，確定了區(qū)

7、段煤礦寬度與復合關鍵層破斷步距之間的關系。研究結果表明，在工作面寬度一定時，區(qū)段煤柱寬度越大，復合關鍵層控制覆巖范圍越大，破斷時釋放彈性能越大，對井下安全危害也越大；區(qū)段煤柱寬度一定的條件下，在極限跨距內(nèi)隨著工作面寬度的增加，復合關鍵層控制覆巖范圍增大，發(fā)生破斷時釋放彈性能增大，對井下安全威脅也加大。有效削弱區(qū)段煤柱支撐作用，減小復合關鍵層控制范圍是減輕井下強礦壓沖擊威脅程度的重要途徑之一，在華亭礦區(qū)硯北煤礦特定地質(zhì)采礦條件下，合理工作