基于大倾角近距离煤层群开采物理模拟实验、理论分析和现场实测，确定了上层煤采空区覆岩沿垂向存在完整倾斜砌体区域与倾斜砌体缺失区域，下层煤采场顶板受到倾斜上部无矸石区的点载荷作用和中下部矸石充填区的非均衡载荷作用，揭示了重复采动下下层煤采场倾斜中上部顶板破断机理，以及采场周期性来压的强度较低且规律性不强的特征，为大倾角煤层群长壁采场岩层控制提供了理论支撑。
作者简介
解盘石教 授
解盘石，陕西三原人，教授，博士生导师，West Virginia University公派访问学者，西安科技大学能源学院副院长，难采煤层创新团队学术秘书，中国煤炭学会会员，采矿冶金勘探学会（SME）成员，中国煤炭工业协会井工开采与设计专家委员会委员，《煤炭学报》《煤炭科学技术》《煤矿安全》《煤炭工程》等青年编委。长期从事难采煤层开采与岩层控制方面的研究与教学工作，主持国家自然科学基金项目3项，参与国家自然科学基金重点项目、教育部新工科研究与实践项目等8项。“大倾角煤层长壁综采技术和装备”等成果获国家科技进步二等奖1项，省部级科学技术一等奖1项、二等奖4项，指导学生获省部级科技作品竞赛奖励12项。出版专著3部，参编教材1部，发表论文100余篇，授权国内外发明专利10余项。
研究方向
难采煤层开采与岩层控制、三维物理模拟实验与测试。
主要成果
（1）提出了大倾角煤层长壁采场顶板倾斜砌体结构理论。
（2）提出了大倾角煤层长壁采场支架与围岩系统多维稳定性控制方法。
（3）发明了大倾角煤层走向长壁工作面异形液压支架俯斜开采方法。
作 者
解盘石１,２，屈利利１,２，伍永平１,２，张颖异１,２，闫壮壮１,２，冯 坤３，杨广兵３，吉 峰３
单 位
1.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室；2.西安科技大学 能源学院；3.山东矿机华能装备制造有限公司
扫码阅读全文摘 要
大倾角近距离煤层群开采时，下层煤采场顶板受到重复加－卸载作用，其覆岩运移和矸石充填特征较单一煤层开采时更为复杂。以东峡煤矿大倾角近距离煤层群为研究对象，采用物理相似材料模拟试验、理论分析和现场实测相结合的手段，通过建立基于下层煤采场顶板的两端固支梁模型，确定了采场顶板易发生弯曲破断的位置，研究了大倾角近距离煤层群长壁采场顶板破断垮落特征。结果表明，上层煤采空区垮落顶板的堆积沿倾向具有不均衡性；垮落顶板与顶板残垣轮廓的接触程度存在差异性，沿垂直岩层方向可将垮落覆岩划分为完整倾斜砌体区域与倾斜砌体缺失区域。上层煤工作面底板受载沿倾向表现为分区特征，根据采空区的非对称充填特征将其划分为受近似点载荷的无矸石充填区和受非均衡作用的中、下部矸石充填区。下层煤开采时，采场倾斜中上部顶板（ 顶煤） 先破坏下滑、充填至下部采空区，致使下部区域工作面顶板弯矩较小、倾斜中上部顶板弯矩较大，其中倾斜中上部顶板更易发生破断。由于采空区充填程度不同，下层煤采场来压呈现中部较大、上部次之、下部无明显来压的基本特征。相对于单一煤层开采，下煤层开采时周期性来压的强度较低且规律性不强。研究可为大倾角煤层群长壁采场顶板稳定性控制提供一定的理论支撑。
研究背景
大倾角煤层是指埋藏倾角为35°~55°的煤层，是国内外采矿界公认的难采煤层 。多年开采实践证明，保证工作面“支架-围岩”系统完整是确保大倾角煤层工作面安全高效开采的科学基础。但大倾角煤层群长壁开采时，由于煤层间开采相互影响与扰动，工作面顶板应力分布与破坏、运移特征均与大倾角单一煤层开采有所不同，导致工作面存在安全隐患。因此，研究大倾角煤层群顶板破坏特征及其稳定性控制是实现该类煤层安全高效开采的前提。
长期以来，广大学者和生产技术人员在大倾角煤层（群）开采方面做了大量的理论研究与生产实践工作。有文献研究了大倾角煤层长壁采场围岩应力分布规律与矿压显现规律，提出了大倾角煤层采场矿山压力显现的分区特征及围岩的非对称应力拱理论；有文献对大倾角煤层（群）覆岩结构及其稳定性进行了研究，给出了倾斜砌体结构动力学方程和“ 壳体”稳定性判定条件；有文献对大倾角煤层（群） 覆岩运移以及量化充填规律进行了研究，量化了基本顶垮落充填区域，得出了围岩破断运移对煤岩层的非均衡性双重扰动作用；有文献对大倾角煤层群下行开采矿压显现规律及围岩稳定性控制技术进行了研究，得出了大倾角近距离采空区下煤层开采超前支承压力分布规律；文献有对大倾角近距离煤层群开采顶、底板破坏特征进行了研究，揭示了工作面底板应力分布规律、最大破坏深度及其位置。但针对大倾角煤层群上层煤采场覆岩运移对下层煤采场围岩应力演化和顶板破坏的影响机制研究较少。
因此，在已有研究的基础上，以甘肃华亭东峡煤矿大倾角近距离煤层群开采为工程背景，采用物理相似材料模拟试验、理论分析以及现场实测相结合的段，研究大倾角煤层群覆岩运移规律及其对采场顶板破坏的影响特征，从沿工作面倾向不同区域的围岩破坏特征、顶板受载状态及稳定性和支架阻力等方面深入分析研究，可为大倾角煤层群长壁采场顶板稳定性控制提供理论支持。
内容概要
1 工程概况
图1 综合柱状
表1 煤与岩石力学参数
2 试验模型的建立表2 相似材料配比
图2 物理相似材料模型
3 大倾角煤层群开采围岩破坏特征3.1 沿倾向围岩破坏运移特征3.1.1 上层煤开采围岩破坏运移特征
图3 上层煤采空区沿倾向非均衡充填
图4 上层煤采场底板受载特征
图5 上层煤底板载荷分布曲线
图6 上层煤Ⅱ段底板载荷分布曲线 3.1.2 下层煤开采围岩破坏运移特征
图7 下层煤采场顶板受载特征
图8 下层煤采场顶板初始破断
3.1.3 下层煤开采围岩破坏运移特征
图9 煤层群采场顶板破断特征
3.2 沿走向围岩结构破坏特征
图10 倾向不同区域的走向结构特征
4 大倾角煤层群采场顶板结构分析4.1 建立力学模型
图11 煤层间顶板受力分布
4.2 力学分析
图12 L1区段梁模型
图13 L2区段梁模型
图14L3区段梁模型
图15 L4区段梁模型
4.3 算例与分析
图16 梁挠度
图17 梁弯矩
5 现场实测分析
图18 支架工作阻力利用率分布
结 论
１）大倾角单一煤层长壁采场垮落顶板充填采空区具有不均衡性，导致垮落顶板与顶板残垣上、下边界接触程度与方式不同，倾斜下部“顶板-矸石”接触较上部更为紧密；沿垂直岩层方向倾斜上部可将整个采空区划分为倾斜砌体缺失区域和倾斜砌体完整区域。
２）大倾角煤层群开采中，上层煤工作面底板受载沿倾向具有分区特征，将采空区底板沿倾向分为受近似点载荷的无矸石充填区和受非均衡载荷的中、下部矸石充填区。下层煤采场顶板受到上层煤采场垮落顶板的非均衡载荷作用，采场倾斜中上部直接顶先垮落并下滑充填至工作面下部，顶板破断后对下层煤采场底板的作用特征与上层煤采场一致。
３）倾斜下部顶板受垮落矸石的支撑降低了其挠度和弯矩；中上部由于矸石的未完全充填，对顶板支撑较小或为０，该范围顶板挠度最大，易发生破断。
４）下层煤采场来压呈现中部较大、上部次之、下部无明显来压的基本特征。但较单一煤层开采，下煤层开采时周期性来压的强度较低且规律性不强。
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