论文部分内容阅读
近些年来,我国特厚煤层综放开采技术在以晋陕蒙为主的矿区获得了广泛应用。然而,对于部分特殊地质条件下的特厚煤层综放开采,仍然面临着诸多现实难题。大同矿区石炭二叠系20m特厚煤层开采实践中,工作面及巷道动力灾害频发,严重威胁着矿井的安全高效生产。该区域特厚煤层受岩浆侵入后,在煤层顶部形成层状火成岩岩层。目前,侵入岩层对综放采场覆岩运动规律及工作面支架与围岩相互作用的影响尚不清楚。为便于研究,揭示层状火成岩侵入条件下工作面及巷道动力灾害发生的机理,提出有效预防措施,对保证安全高效开采具有重要的现实意义。论文以大同矿区塔山井田为工程背景,通过实验室试验、理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研分别研究了火成岩的物理力学特性及其厚度变化对采场覆岩结构、围岩应力演化规律和支架围岩协同作用的影响。获得的主要结论如下:（1）大同矿区石炭二叠系3-5号特厚煤层受火成岩侵入范围达30.5km2,占全区面积的17.15%。火成岩以层状岩床形式赋存在煤层顶部,厚度由东向西从8m减小至0m,煤层可采厚度变化范围为1020m。受火成岩侵入影响,采场矿压显现强烈,工作面压架和回采巷道超前段巷道冲击地压频发。其中,液压支架工作阻力提高至15000kN仍无法避免压架事故的发生,压架现象不仅发生在基本顶主关键层破断阶段,还常在初采阶段和充分采动阶段发生。（2）通过实验室试验,对火成岩的岩石学特征和物理力学特性进行研究。结果表明,大同矿区石炭二叠系煤系地层的侵入岩层发生了强烈碳酸盐化,经过鉴定确定为碳酸盐化含石英二长闪长岩,在塔山矿区被称为煌斑岩。主要矿物成分为正长石（31.4%）,白云石（19.63%）,石英（9.23%）和黏土类矿物,如绿泥石,高岭石,伊利石和蒙脱石;自然状态火成岩单轴抗压强度达到128.36MPa,抗拉强度达到8.6MPa,内聚力和内摩擦角分别为24.6MPa和54°;干燥火成岩试样单轴循环加卸载作用下强度达到163MPa,并且表现出极强的岩爆特征;黏土类矿物主导的水岩作用对火成岩力学特性有显著弱化效果,含水量为0.89%的试样强度降低到78MPa;声发射计数,声发射累计能量以及Felicity比较好的反映了水岩作用下火成岩试样由强烈的脆性破坏转变为弹塑性破坏的特征;煌斑岩所含白云石和正长石是参与酸化反应的主要矿物,其中白云石起主导作用,pH=0溶液酸化试样单轴抗压强度仅为39MPa。正长石与酸溶液反应生成的H2SiO3胶体会抑制正长石的酸化反应,而防止正长石在酸化反应中产生H2SiO3胶体对提高酸化作用效果、降低火成岩坚硬岩层破裂压力有重要意义。（3）通过相似模拟分别对特厚煤层受等厚火成岩侵入、厚度递增层状火成岩侵入及上部近距离采空区影响下的采场上覆岩层结构特征及其演化规律进行研究。结果表明,采场上覆岩层结构主要以“悬臂梁”和“砌体梁”或“组合梁”形式为主。直接顶坚硬岩层形成的组合悬臂结构经历了“回转—分离—反向回转—滑落”的运动过程,其中在分离阶段形成“组合简支梁”结构。随火成岩厚度增加,组合悬臂结构的破断距和厚度随之增加,其破断形式由分层破断转变为整体破断。特厚煤层工作面推进至上部近距离采空区边界位置时,层间岩层超前破断所引起的高位岩层结构失稳是造成工作面压架的主要原因。（4）通过UDEC（Universal Distinct Element Code）数值模拟,研究了火成岩厚度变化对采场上覆岩层变形破坏特征、工作面超前支承压力分布特征、采场围岩应力演化规律、围岩塑性区发育特征以及工作面支架载荷的影响。火成岩厚度为0m,2m,4m和6m时,顶板初次破断距分别为100m,120m,140m和180m;工作面超前支承压力增高系数分别为3.85,4.75,5.40和5.66;超前支承压力峰值距煤壁距离分别为23.6m,21.6m,19.6m和15.6m。采场上覆岩层主关键层初次破断时,工作面液压支架载荷迅速增加至额定工作阻力,同时支架压活柱缩量达到极限,煤壁超前支承压力峰值突然升高,增高区范围突然减小,煤壁塑性区范围扩大,采空区支承压力逐渐升高。火成岩厚度越大,支架载荷越大,超前支承压力集中程度越高,采场矿压显现越强烈。（5）火成岩侵入条件下采场上覆岩层的活动规律受采空区垮落岩体、工作面液压支架和工作面前方煤体的协同作用控制,采空区垮落岩体的碎胀作用能够影响基本顶岩层的允许下沉空间,进而决定其结构的稳定性;工作面前方煤体作为采场支承压力的主要承载体,其力学特性能直接影响上覆岩层的破断特征进而决定作用于液压支架上的载荷;工作面液压支架的工作状态对顶板岩层的活动规律和煤壁的稳定性起决定性作用。侵入岩层厚度变化对垮落岩体碎胀系数,工作面前方煤体力学性质和直接顶岩层活动规律均有直接影响,进而改变三者对上覆岩层控制的协同控制效果。（6）根据相似模拟结果,建立了火成岩侵入区特厚煤层综放采场“组合简支梁-砌体梁”结构及模型,并对其进行力学分析,获得上述复合结构中岩梁的破断距、破断角和极限回转角的计算公式,提出火成岩侵入区特厚煤层综放工作面液压支架工作阻力计算方法并进行实例验证。分别对塔山井田内火成岩厚度为2m,3m,4m,5m,6m,7m和8m时,“组合简支梁-砌体梁”结构中各岩梁的破断距,破断角和极限回转角进行计算和分析。K3砂岩、直接顶细砂岩和下位基本顶细砂岩的破断角分别为64°、65°和68°,火成岩岩层的破断角随其厚度增加由62°减小为60°。直接顶坚硬岩层的破断距随火成岩厚度增加而增加,基本顶细砂岩层的破断距始终保持在25m,火成岩层的破断距由14m增加至19m。火成岩厚度小于5m时,液压支架载荷不超过15000kN,超过5m后支架载荷呈线性增长,达到8m时液压支架载荷达到17708kN。