大倾角煤层长壁采场煤矸互层顶板破断机理研究

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大倾角煤层煤矸互层顶板赋存不稳定、强度低、易失稳是大倾角煤层开采较为常见的一种围岩灾害现象,严重影响工作面的安全高效生产。研究大倾角煤层长壁采场煤矸互层顶板破断机理对丰富复杂条件下煤层开采理论、指导现场工程实践具有重要意义。本文结合物理相似实验、数值仿真计算、现场工程实践和理论分析相结合的研究方法,研究了大倾角煤矸互层顶板破坏影响因素对煤矸互层顶板的作用机理及矿压显现规律,结果表明:大倾角煤层采场煤矸互层顶板破断受夹矸层厚度及软弱强度、倾角、工作面倾斜长度以及支架的反复支撑等主要因素影响。夹矸层越薄及强度越低,煤矸互层顶板破坏越明显;煤层倾角和工作面斜长的增加使煤矸互层顶板受力不均衡性更加明显;支架对煤矸互层顶板的反复支撑促进了顶板变形、破裂和发展,进而导致煤矸互层顶板的二次叠加破坏。煤矸互层顶板大倾角工作面初次来压步距较非煤矸互层顶板时大,周期来压步距接近,煤矸互层顶板易在支架上方发生断裂漏冒,开采时夹矸层厚度及软弱强度对煤矸互层顶板支承压力的影响比较显著。大倾角煤矸互层顶板破坏时,软煤线裂隙发育优先于硬夹矸裂隙发育,软煤先破坏,但由于煤矸互层顶板本身的层位关系及时间、重力相互作用效应,煤矸互层顶板断裂顺序为:下位夹矸层→中位煤线→中位夹矸层→上位煤线,相继依次发生“离层—断裂—推垮”的复合型破坏;随下行割煤的继续推进,硬夹矸以短、长悬臂梁方式交替断裂破坏,而互层软煤线松软易破碎,无明显的长悬臂梁出现。大倾角煤矸互层顶板的应力释放主要以拉应力为主,随煤层倾角和工作面斜长的增大,煤矸互层顶板拉应力区向倾斜工作面中上部区域迁移,而下部区域煤矸互层顶板应力由拉应力逐步转换为压应力,其倾角和工作面斜长越大,拉、压应力越明显;煤矸互层顶板塑性破坏主要以剪切破坏为主,剪切破坏随煤层倾角、工作面长度的增大,向上位岩层逐步延伸,工作面中上部区域煤矸互层顶板运移量最大,下部区域运移量较小。大倾角工作面煤矸互层顶板岩层的最大拉应力超过了其岩层的许容应力时将发生失稳破断,其中煤矸互层顶板岩层失稳破断本身的影响因素最大,即弹性模量和夹矸层厚度,其次外在的影响因素中工作面长度和倾角次之。煤矸互层顶板大倾角25213工作面,支架平均工作阻力为“下部区域>中部区域>上部区域”分区特征更趋明显,支架与煤矸互层顶板接顶状态多变且受载不稳定。针对大倾角综采工作面煤矸互层顶板稳定性控制难题,提出了稳定性控制措施,来保证煤矸互层顶板工作面的稳定,并在25213工作面取得了良好的工程实践效果,社会和技术经济效益良好。
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