急倾斜煤层走向壁式开采基本顶垮落规律研究

摘要

长期以来，我国一直将45°以上的煤层定义为急倾斜煤层。由于我国煤炭资源储量分布的严重不均匀性，在青海、新疆、甘肃等边远地区和四川、海南、贵州、福建等南方缺煤地区急倾斜煤层的储量和产量占有相当的比重，对这些省区的经济发展有重要作用。在西南地区，急倾斜煤层已形成相当的开采规模，许多矿区主采煤层为急倾斜煤层，急倾斜煤层储量约占西南地区煤层储量的70％，产量约占50％。
　　 本论文针对急倾斜煤层赋存的具体实际，运用理论分析与相似模拟实验相结合的方法，对采用走向壁式采煤法开采时基本顶的破断规律进行了一些基础性的研究，得到了一些有益的结论。
　　 (1)对基本顶在空间的实际存在状态及其受力情况进行了分析，并且依据弹性薄板理论建立了基本顶的薄板模型，将基本顶初次垮落前视为四边固支的薄板模型，周期垮落时视为三边固支一边简支的薄板模型，并且视急倾斜煤层顶板岩层材质为均匀、连续、各向同性的。经计算分析，急倾斜煤层基本顶的破断是屈曲失稳主导下的拉裂破断，初次破断和周期破断特征均为岩板沿着基本项层面倾向方向的水平中心线发生开口朝向采空区的拉裂破断，上下两固支端附近发生裂缝开口背向采空区侧的拉裂破坏。同时给出了基本顶初次垮落步距和周期垮落步距计算公式，建立了基本顶初次垮落和周期垮落屈曲与破断的基本准则。
　　 (2)以潞安集团潞宁大汉沟煤矿急倾斜煤层为原型进行了相似模拟实验。实验得出，当煤层顶板为薄板时，基本顶表现为板的拉裂破断特征，岩板以板的中上部平行于上下板边的直线为界首先弯曲，产生微小裂缝，微小裂缝逐渐扩张，最终岩板朝向采空区破断为上下两部分，破断部位开口方向朝向采空区，同时岩板上下两固支端附近也产生背向采空区的裂缝。这验证了理论分析基本顶破断特征的正确性。同时得出，基本顶的破断并没有直达采煤工作面，而是与工作面保持一定的距离，与底板的接触呈“>”形逐渐减少。对比了理论分析与相似模拟实验方法关于基本项破断特征的结论，两者结论相仿，但由于对原型的处理不同，基本顶的破断部位存在一定的差异。
　　 (3)由相似模拟实验，急倾斜煤层群开采时，随着各煤层的先后采出，在未开采煤层上部形成了较多不密实的采空区，并且受多次重复采动影响，岩体的自稳能力大大降低，在某一时间产生上覆岩体的整体失稳，对未采煤层开采造成很大的困难。