急斜綜放合理段高及滯放關鍵域注水弱化.pdf

1、新疆烏魯木齊礦區(qū)蘊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度的煤炭產量,是發(fā)展急斜千萬噸礦區(qū)的主要技術途徑。段高提高后面臨兩個關鍵問題:一是如何科學合理地選擇段高;二是頂煤能否充分破碎以滿足放出要求。前者影響到頂、底板巖層運動規(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等問題;后者關系到頂煤的破壞冒放規(guī)律如何,可否有效放出,如何通過工程技術措

2、施控制頂煤的破碎度以滿足放出要求。本文通過實驗室研究、理論分析、數值模擬實驗以及工業(yè)性試驗的方法,針對急斜綜放工作面上述關鍵問題進行了深入系統(tǒng)研究。
　　針對急斜煤層水平分段綜放開采的特點,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模型。根據板中縱橫荷載相互作用、相互耦合的非線性特性,應用Kirchhoff薄板和平面彈性理論,考慮中面內力對彎曲的影響,依據最小勢能原理,將四階非線性非齊次偏微

3、分方程的邊值問題轉化為能量原理的形式,在邊值問題等價性前提下,得到了撓度、應力的解析表達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可作為急斜煤層關鍵層的幾何特征;基本頂的撓度隨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的需求,又能有效控制頂板的變形,并給出了計算確定方法。
　　基于合理段高的

4、前提下,提出頂煤動態(tài)放出過程中沿傾向存在最不利結構力學模型,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。采用應力變分方程代替相容條件,將彈性力學基本方程的邊值問題變?yōu)榍蠓汉鸟v值問題。根據頂煤的邊界形狀和受力情況,通過反復試設,不斷修正,確定了平行四邊形板中滿足相容方程的應力函數,并使其給出的應力分量滿足應力邊界條件。通過對第一主應力影響因素的研究發(fā)現(xiàn):對于一定煤體強度而言,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行分區(qū)的觀點,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。進一步研究表明頂煤體中形成穩(wěn)定冒落

6、拱的力學機理是由于隨著冒落的不斷發(fā)展,直至拱券內僅有壓應力時達到穩(wěn)定平衡。提出實施頂煤弱化工程應重點針對滯放關鍵域進行,兼顧處理底板側煤體,使頂煤冒落拱形態(tài)由全拱形向半拱形擴展,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三角煤損失。
　　在以上研究成果的基礎上,通過實驗室實驗、數值模擬實驗、工業(yè)性試驗的方法,確定了葦湖梁煤礦限量保壓注水弱化滯放核心域工業(yè)性試驗技術方案,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