浅埋近距离煤层综采面覆岩结构及其稳定性研究

来源 :河南理工大学 | 被引量 : 13次 | 上传用户:yanlj007
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神东矿区是典型的浅埋近距离多煤层赋存矿区。随着近年来第1主采煤层因高强度开采逐渐枯竭,现已逐步回采第2主采煤层。第2主采煤层回采时矿压显现强烈,突出表现在工作面存在大小周期来压现象,过煤柱和沟谷地形时常易出现支架活柱瞬时大幅下缩的异常矿压现象。众所周知,工作面矿压显现异常通常是由采动覆岩结构运动和失稳所引起的,特定条件下的矿压规律与覆岩结构运动特征密切相关。论文综合运用现场实测、相似模拟、数值模拟和理论分析等手段,就浅埋近距离煤层覆岩结构演化特征及其稳定性进行了深入的研究。基于煤层开挖的力学效应和围岩应力传递的压力拱现象,提出近水平煤层采场具有围岩承载结构、矿压运动结构和工作面防护结构三种基本结构形式,简称“大结构”、“小结构”和“微结构”,论述了其与采场矿压显现的关系,分析了浅埋近距离上煤层开采后横向和纵向空间结构形态,并提出覆岩破坏的“三带”划分新方法和“短边控制长边”原则,指出煤柱构成大结构的拱脚,成为载荷传递的载体,并对上下煤层之间的岩层(以下简称中间岩层)关键层进行了分类。通过分析神东矿区多个工作面的矿压实测资料,基本掌握了下煤层工作面在中间岩层厚关键层下回采时矿压显现特征和异常矿压发生位置以及工作面在实体煤、走向煤柱和采空区下回采矿压显现规律。研究了下煤层在上煤层采空区和煤柱下回采时大结构的演化规律,将工作面顶板应力状态分为拉应力区、支承压力集中区、卸载区和压缩区4个分区。根据普氏理论推导了中间岩层贯通破断前的结构拱拱迹线方程。利用结构力学的三铰拱理论分析采空区压力拱力学特征,建立了大结构失稳判别式以及工作面压力拱稳定性分析方法。揭示了浅埋近距离煤层出煤柱和过沟谷地形上坡段动载矿压灾害的发生机理,并针对性提出了防治措施。依据直接顶厚度以及关键层破断块度将浅埋近距离煤层覆岩小结构划分为砌体梁结构、悬臂梁—砌体梁结构、组合悬臂梁—砌体梁结构和台阶岩梁结构四种类型,分别给出了各种小结构形式支架工作阻力的计算公式。分析了中间岩层厚关键层破断特征,揭示了中间岩层厚关键层下回采工作面大小周期来压现象的原因。提出浅埋近距离煤层覆岩破坏“三带”划分原则,以补连塔矿22307工作面为例,分析了近距离煤层覆岩破坏分带特征以及层间距和采高对覆岩结构的影响。
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