深井高地压煤层上行开采的物理模拟研究.docx

欢迎光临安全人之家 https:/ 深井高地压煤层上行开采的物理模拟研究 我国为矿开采深度逐年增大，不少矿井采深已达到 600m 以上，一 些矿井已达 8001100m。在深井高应力作用下，冲击地压、煤与瓦斯 突出、巷道维护、复合顶板管理等一系列高地压现象十会突出，严重 制约着矿井的安全高效生产。改变常规的下行开采方式，优化开采程 序， 实现部分煤层的全量上行开采是彻底解决深井高地压危险的有效 途径。 新汶矿区孙压煤矿已进入-800m 水平开采，采深达到 1000m 左右。 井田内上组煤的主采煤层为二、四层煤，煤层倾角为 1924，二、 四层煤层间距平均为 22m， 二层煤下位厚度一般为 2.62.8m， 中部含 有厚度为 0.40.6m 的夹矸，上位煤线厚度 0.30.4m 左右。深井高地 压二、四层下行采中存在三个方面的突出问题： （1） 二层煤属强烈冲击倾向，冲击地压危害性大； （2） 二层工作面托顶煤及夹矸开采，复合顶板管理困难，工作面 生产安全状况差，推进速度慢，并制约四层煤开采及矿井采掘接续； （3） 二层复合顶板回采巷道支护难题大， 巷道断面收缩率高达 50% 左右，巷道维护状况差，翻修工程最大，严重制约矿井正常生产。 因此，为彻底消除深井击地压、复合顶板管理、巷道支护等高地 压危害，大幅度提高矿井的安全高效生产水平，提出了深井高应力难 采煤层上行卸压开采的技术途径，采用相似材料模拟研究方法，研究 论证二、四层煤上行开采的可行性，为指导开采程序改革提供可靠的 依据。 欢迎光临安全人之家 https:/ 2 物理模拟设计 相似材料物理模拟形象直观，实验周期短、见效快。前提是要在模 型上能造成保持同一物理本质而物理量大小成比例的相似现象。 实验 设计以相似理论为指导，相似材料由胶结料和填料组合而成，胶结料 为石膏，同时加入碳酸钙，填料为砂。立体模拟实验的覆岩破坏状态 具有不可见性， 而平面模拟实验能够直观模拟既定条件下的覆岩破坏 与结构状态，能够满足本课题的要求。实验采用的平面相似材料模拟 实验台，由框架系统、加载系统和测试系统 3 部分组成。规格为 4m0.3m2m，有效实验高度为 1.8m。 相似模型型设计遵循几何相似、时间相似、密度相似、强度相似和 应力相似等基本相似条件1。相似比如下： 几何相似比：C1=1:50 时间相似比： 密度相似比：Cr=1:1.6 弹模与强度相似比：Ce= C1 Cr=1:80 原型岩层单向抗压强度指标：粉砂岩 35MPa，中砂岩 55MPa，煤 12MPa，粗砂岩 60MPa。模型各分层间用云母粉起分层作用，模型上 部的覆岩荷载采用加载方式模拟。 3 下位煤层开采的覆岩运动与结构以发育的分带规律 下位煤层的覆岩运动与结构状态如图 1 中 a-e 所示。 欢迎光临安全人之家 https:/ 图 1 实验图像 其主要规律有： （1）覆岩运动与结构可明显地划分为非平衡带、准平衡带及离层 带。四层煤冒落带组成覆岩非平衡带，其高度为 7.32m（采高 M=2.28m） ，即 3.21M；造成工作面周期来压的老顶第一岩梁组成覆 岩准平衡带，其厚度为 7.85m，顶部高度 14.9m，即 6.35M；老顶第 二岩梁组成覆岩平衡带，其厚度为 6.32m，顶部高度为 21.12m，即 9.26M；其上部为离层带。 （2）非平衡带（冒落带）由 m1 岩层组成，呈上、下两个分层分 别冒落，下分层厚度 3.5m，初次垮落步距 30m，其后基本上随采随 冒，冒落块度较大。 （3）老顶第一岩梁由 m2 粗砂岩与 m3 细砂岩组成，初次来压步 距 49m， 周期来压步距 19m， 层间有微量的层间错动， 为准平衡岩层； 老顶第二岩梁由 m4 岩沉积煤 3 组成，仍然呈现明显的周期性运动， 层间没有错动，为平衡岩层。 （4） 准平衡带与平衡带内岩层呈现明显的周期性运动， 顶板离层、 断裂所形成的离层有微量的层间错动， 平衡带以上的岩层无层间错动。 煤 2 以上岩层为离层带，离层带内的岩层运动以离层裂隙为主，由轻 微的斜交裂隙出现。 （5）斜交裂隙按顶板断裂步距周期性出现。呈向采空区后上方 欢迎光临安全人之家 https:/ 4550的夹角发育， ，以周期断裂步距为周期平行分布，顶板中的主 裂隙基本上是按 45角发育。离层裂隙、斜交裂隙在工作面后方 40m 以后全部闭合。边界裂隙与水平方向成 60夹角发育。 （6）二层灯处于平衡带上方、离层带底部，只产生离层裂隙及轻 微的周期性斜交裂隙，并在工作面后方及时得到闭合。二层煤及其顶 底板结构保持完整，不发生台阶错动。三层煤鉴于四层煤覆岩准平衡 带上方，当准平衡岩层满足平衡条件而发生的台阶错动时，三、四煤 也可实行上行开采。先采四层煤能缓解二层煤的应力水平，降低煤层 冲击