深井高地壓煤層上行開(kāi)采的物理模擬研究

1、安全技術(shù)深井高地壓煤層上行開(kāi)采的物理模擬研究 我國(guó)為礦開(kāi)采深度逐年增大，不少礦井采深已達(dá)到600m以上，一些礦井已達(dá)8001100m。在深井高應(yīng)力作用下，沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巷道維護(hù)、復(fù)合頂板管理等一系列高地壓現(xiàn)象十會(huì)突出，嚴(yán)峻制約著礦井的平安高效生產(chǎn)。轉(zhuǎn)變常規(guī)的下行開(kāi)采方式，優(yōu)化開(kāi)采程序，實(shí)現(xiàn)部分煤層的全量上行開(kāi)采是徹底解決深井高地壓危急的有效途徑。 新汶礦區(qū)孫壓煤礦已進(jìn)入-800m水平開(kāi)采，采深達(dá)到1000m左右。井田內(nèi)上組煤的主采煤層為二、四層煤，煤層傾角為1924，二、四層煤層間距平均為22m，二層煤下位厚度一般為2.62.8m，中部含有厚度為0.40.6m的夾矸，上位煤線厚度0.

2、30.4m左右。深井高地壓二、四層下行采中存在三個(gè)方面的突出問(wèn)題： (1) 二層煤屬劇烈沖擊傾向，沖擊地壓危害性大; (2) 二層工作面托頂煤及夾矸開(kāi)采，復(fù)合頂板管理困難，工作面生產(chǎn)平安狀況差，推動(dòng)速度慢，并制約四層煤開(kāi)采及礦井采掘接續(xù); (3) 二層復(fù)合頂板回采巷道支護(hù)難題大，巷道斷面收縮率高達(dá)50%左右，巷道維護(hù)狀況差，翻修工程最大，嚴(yán)峻制約礦井正常生產(chǎn)。 因此，為徹底消退深井擊地壓、復(fù)合頂板管理、巷道支護(hù)等高地壓危害，大幅度提高礦井的平安高效生產(chǎn)水平，提出了深井高應(yīng)力難采煤層上行卸壓開(kāi)采的技術(shù)途徑，采納相像材料模擬討論方法，討論論證二、四層煤上行開(kāi)采的可行性，為指導(dǎo)開(kāi)采程序改革供應(yīng)牢靠的

3、依據(jù)。 2物理模擬設(shè)計(jì) 相像材料物理模擬形象直觀，試驗(yàn)周期短、見(jiàn)效快。前提是要在模型上能造成保持同一物理本質(zhì)而物理量大小成比例的相像現(xiàn)象。試驗(yàn)設(shè)計(jì)以相像理論為指導(dǎo)，相像材料由膠結(jié)料和填料組合而成，膠結(jié)料為石膏，同時(shí)加入碳酸鈣，填料為砂。立體模擬試驗(yàn)的覆巖破壞狀態(tài)具有不行見(jiàn)性，而平面模擬試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^模擬既定條件下的覆巖破壞與結(jié)構(gòu)狀態(tài)，能夠滿意本課題的要求。試驗(yàn)采納的平面相像材料模擬試驗(yàn)臺(tái)，由框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)3部分組成。規(guī)格為4m0.3m2m，有效試驗(yàn)高度為1.8m。 相像模型型設(shè)計(jì)遵循幾何相像、時(shí)間相像、密度相像、強(qiáng)度相像和應(yīng)力相像等基本相像條件1。相像比如下： 幾何相像比：C1=1

4、:50 時(shí)間相像比： 密度相像比：Cr=1:1.6 彈模與強(qiáng)度相像比：Ce= C1Cr=1:80 原型巖層單向抗壓強(qiáng)度指標(biāo)：粉砂巖35MPa，中砂巖55MPa，煤12MPa，粗砂巖60MPa。模型各分層間用云母粉起分層作用，模型上部的覆巖荷載采納加載方式模擬。 3下位煤層開(kāi)采的覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)以發(fā)育的分帶規(guī)律 下位煤層的覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖1中a-e所示。 圖1 試驗(yàn)圖像 其主要規(guī)律有： (1)覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)可明顯地劃分為非平衡帶、準(zhǔn)平衡帶及離層帶。四層煤冒落帶組成覆巖非平衡帶，其高度為7.32m(采高M(jìn)=2.28m)，即3.21M;造成工作面周期來(lái)壓的老頂?shù)谝粠r梁組成覆巖準(zhǔn)平衡帶，其厚度為7

5、.85m，頂部高度14.9m，即6.35M;老頂其次巖梁組成覆巖平衡帶，其厚度為6.32m，頂部高度為21.12m，即9.26M;其上部為離層帶。 (2)非平衡帶(冒落帶)由m1巖層組成，呈上、下兩個(gè)分層分別冒落，下分層厚度3.5m，初次垮落步距30m，其后基本上隨采隨冒，冒落塊度較大。 (3)老頂?shù)谝粠r梁由m2粗砂巖與m3細(xì)砂巖組成，初次來(lái)壓步距49m，周期來(lái)壓步距19m，層間有微量的層間錯(cuò)動(dòng)，為準(zhǔn)平衡巖層;老頂其次巖梁由m4巖沉積煤3組成，仍舊呈現(xiàn)明顯的周期性運(yùn)動(dòng)，層間沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)，為平衡巖層。 (4)準(zhǔn)平衡帶與平衡帶內(nèi)巖層呈現(xiàn)明顯的周期性運(yùn)動(dòng)，頂板離層、斷裂所形成的離層有微量的層間錯(cuò)動(dòng)，平衡

6、帶以上的巖層無(wú)層間錯(cuò)動(dòng)。煤2以上巖層為離層帶，離層帶內(nèi)的巖層運(yùn)動(dòng)以離層裂隙為主，由稍微的斜交裂隙消失。 (5)斜交裂隙按頂板斷裂步距周期性消失。呈向采空區(qū)后上方4550的夾角發(fā)育，以周期斷裂步距為周期平行分布，頂板中的主裂隙基本上是按45角發(fā)育。離層裂隙、斜交裂隙在工作面后方40m以后全部閉合。邊界裂隙與水平方向成60夾角發(fā)育。 (6)二層燈處于平衡帶上方、離層帶底部，只產(chǎn)生離層裂隙及稍微的周期性斜交裂隙，并在工作面后方準(zhǔn)時(shí)得到閉合。二層煤及其頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)保持完整，不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。三層煤鑒于四層煤覆巖準(zhǔn)平衡帶上方，當(dāng)準(zhǔn)平衡巖層滿意平衡條件而發(fā)生的臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)時(shí)，三、四煤也可實(shí)行上行開(kāi)采。先采四層煤能

7、緩解二層煤的應(yīng)力水平，降低煤層沖擊傾向，消退沖擊危急。 4二層煤復(fù)合頂板上行開(kāi)采的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性 下位四層煤先行開(kāi)采后，進(jìn)行了上位二層煤托頂煤和夾矸開(kāi)采的試驗(yàn)討論，開(kāi)切眼距煤4開(kāi)采后的邊界裂隙15cm，煤2與煤4的開(kāi)切眼連線與水平方向呈50，而邊界裂隙與水平方向呈60夾角，如圖1中f所示。對(duì)二層煤托頂煤及夾矸的上行開(kāi)采試驗(yàn)表明，由于上行開(kāi)采的卸壓作用，二層煤復(fù)合頂板在控頂區(qū)上方能夠較好地維持頂板穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板煤層的上行開(kāi)采。 5結(jié)語(yǔ) 以孫壓煤礦二、四層煤為工程背景，通過(guò)上行開(kāi)采的物理模擬，揭示了覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)發(fā)育的分帶規(guī)律、裂隙發(fā)育規(guī)律、上位煤層及頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)特征，復(fù)合頂板上行開(kāi)采的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。討論表明，二、四煤可以正常實(shí)行上行開(kāi)采，為工業(yè)性試驗(yàn)供應(yīng)了形像直觀的依據(jù)。經(jīng)此為依據(jù)，孫村煤礦在-800m水平三、四采區(qū)進(jìn)行了上行開(kāi)采的試驗(yàn)討論，消退了二層煤工作面沖擊地壓危急，省去了防沖環(huán)節(jié);徹底轉(zhuǎn)變了復(fù)合頂板的維護(hù)效果，工作面推動(dòng)速度與煤炭單產(chǎn)提高到1.8倍;回采巷道由原來(lái)的斷面收縮率50%左右改觀為不發(fā)生明顯的變形