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煤系地层中通常会有坚硬岩层存在,但煤层上方大面积高位巨厚坚硬岩层赋存并不多见。受采动影响高位巨厚坚硬岩层会引发岩爆、煤与瓦斯突出、矿震等动力灾害,严重影响煤矿的安全开采。如何实现高位巨厚坚硬岩层下安全开采已成为煤矿生产的一大课题。 本文通过理论分析、数值模拟方法并结合现场实测,研究了高位巨厚坚硬岩层下煤层开采的覆岩运移特征、支承压力分布规律、冲击地压发生机理、不同开采方法对巨厚坚硬岩层运移影响。 通过对采动后高位巨厚坚硬岩层的悬露状态分析,建立了高位巨厚坚硬岩层板的力学模型,对高位巨厚坚硬岩层的初次破断步距进行理论分析研究。研究结果表明:海孜煤矿Ⅱ102采区上方的高位巨厚岩浆岩在采宽520m时,其初次破断步距为444m。 运用数值模拟方法对高位巨厚坚硬岩层下覆岩运移特征及支承压力分布规律进行了研究。得出以下结论:(1)随着高位巨厚坚硬岩层厚度的增加,高位巨厚坚硬岩层的初次破断步距不断增大,超前支承压力最大峰值、最大应力集中系数逐渐变小,应力影响范围变大;(2)随着高位巨厚坚硬岩层与开采煤层间距的增加,高位巨厚坚硬岩层的初次破断步距也逐渐增大,超前支承压力最大峰值、最大应力集中系数逐渐变小,应力影响范围变大;(3)随着采深的增加,高位巨厚坚硬岩层的初次破断步距逐渐变小,超前支承压力最大峰值、最大应力集中系数逐渐增大,应力影响范围变小;(4)两高位巨厚坚硬岩层相距较近时会产生复合效应,复合效应增大了巨厚岩层的初次破断步距,当两高位巨厚坚硬岩层之间层间距超过一定距离之后,不会产生复合效应。 揭示了高位巨厚坚硬岩层破断与冲击地压发生规律之间的关系,即:高位巨厚坚硬岩层达到其破断步距后,高位巨厚坚硬岩层会发生破断失稳,释放大量的弹性能,诱发冲击地压,可通过大直径钻孔、爆破卸压、煤层注水等措施对应力集中区进行卸压,控制动力灾害的发生。 通过对比研究不同开采方法时高位巨厚坚硬岩层破断运移情况,确定了高位巨厚坚硬岩层下合理开采方法。研究结果表明:采用垮落法开采时地表下沉量较大,而留大煤柱开采、离层区注浆充填开采、采空区充填开采等方法可有效地控制高位巨厚坚硬岩层破断,考虑安全、技术等因素,高位巨厚坚硬岩层条件下采用离层区注浆充填开采是合理的。