急斜綜放合理段高及滯放關(guān)鍵域注水弱化.pdf

1、新疆烏魯木齊礦區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的急斜煤層。水平分段綜放開采是礦區(qū)目前開采急斜特厚煤層唯一的采煤方法,而大幅度提高分段高度以增加單位推進(jìn)度的煤炭產(chǎn)量,是發(fā)展急斜千萬噸礦區(qū)的主要技術(shù)途徑。段高提高后面臨兩個(gè)關(guān)鍵問題:一是如何科學(xué)合理地選擇段高;二是頂煤能否充分破碎以滿足放出要求。前者影響到頂、底板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律、工作面礦壓顯現(xiàn)有無異常、是否存在和如何避免圍巖大范圍垮落的危險(xiǎn)等問題;后者關(guān)系到頂煤的破壞冒放規(guī)律如何,可否有效放出,如何通過工程技術(shù)措

2、施控制頂煤的破碎度以滿足放出要求。本文通過實(shí)驗(yàn)室研究、理論分析、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)性試驗(yàn)的方法,針對急斜綜放工作面上述關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究。
　　針對急斜煤層水平分段綜放開采的特點(diǎn),將沿傾向初次破斷后的基本頂視為三邊固支一邊自由,受縱橫荷載共同作用的斜置矩形板力學(xué)模型。根據(jù)板中縱橫荷載相互作用、相互耦合的非線性特性,應(yīng)用Kirchhoff薄板和平面彈性理論,考慮中面內(nèi)力對彎曲的影響,依據(jù)最小勢能原理,將四階非線性非齊次偏微

3、分方程的邊值問題轉(zhuǎn)化為能量原理的形式,在邊值問題等價(jià)性前提下,得到了撓度、應(yīng)力的解析表達(dá)式及其隨影響因素的演化途徑。研究了基本頂變形發(fā)展規(guī)律和強(qiáng)度破壞特征,指出在急斜煤層巖層控制中,煤層傾角存在介于55o~65o之間的臨界區(qū)域;頂板厚度t>4m可作為急斜煤層關(guān)鍵層的幾何特征;基本頂?shù)膿隙入S著開采深度的不斷延伸而增大,但增幅遞減;合理的水平分段高度既可滿足生產(chǎn)的需求,又能有效控制頂板的變形,并給出了計(jì)算確定方法。
　　基于合理段高的

4、前提下,提出頂煤動(dòng)態(tài)放出過程中沿傾向存在最不利結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,將其簡化為左右兩邊固支、下部自由、上部受均布荷載作用的平行四邊形板。采用應(yīng)力變分方程代替相容條件,將彈性力學(xué)基本方程的邊值問題變?yōu)榍蠓汉鸟v值問題。根據(jù)頂煤的邊界形狀和受力情況,通過反復(fù)試設(shè),不斷修正,確定了平行四邊形板中滿足相容方程的應(yīng)力函數(shù),并使其給出的應(yīng)力分量滿足應(yīng)力邊界條件。通過對第一主應(yīng)力影響因素的研究發(fā)現(xiàn):對于一定煤體強(qiáng)度而言,頂煤的冒放性隨煤層傾角增大而提高;隨水

5、平分段高度的增大而降低,但影響較為有限;隨著工作面長度的增大呈非線性增長,而且增速逐漸加快。
　　首次提出了頂煤體沿傾向進(jìn)行分區(qū)的觀點(diǎn),將急斜煤層沿傾向方向頂煤體劃分為拉破壞區(qū)、拉損傷區(qū)、彈性區(qū)和壓剪損傷區(qū)四個(gè)分區(qū)。指出隨著段高的增加,拉破壞區(qū)逐漸減小,但減小幅度不大,拉損傷區(qū)、彈性區(qū)和壓剪損傷區(qū)均呈現(xiàn)不斷加大的趨勢,表明頂煤放出的難度在不斷增加;拉損傷區(qū)、彈性區(qū)沿著過煤體幾何中心的垂線方向發(fā)展。進(jìn)一步研究表明頂煤體中形成穩(wěn)定冒落

6、拱的力學(xué)機(jī)理是由于隨著冒落的不斷發(fā)展,直至拱券內(nèi)僅有壓應(yīng)力時(shí)達(dá)到穩(wěn)定平衡。提出實(shí)施頂煤弱化工程應(yīng)重點(diǎn)針對滯放關(guān)鍵域進(jìn)行,兼顧處理底板側(cè)煤體,使頂煤冒落拱形態(tài)由全拱形向半拱形擴(kuò)展,將既有助于拱券以上煤體的破壞發(fā)展,又有利于減少底板側(cè)三角煤損失。
　　在以上研究成果的基礎(chǔ)上,通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)、工業(yè)性試驗(yàn)的方法,確定了葦湖梁煤礦限量保壓注水弱化滯放核心域工業(yè)性試驗(yàn)技術(shù)方案,并取得了良好的效果。本課題的研究對于烏魯木齊礦區(qū)急斜