浅埋近距离煤层过平行煤柱开采强矿压机理研究
作者：
黄庆享, 张谦, 贺雁鹏, 陈苏社, 王庆雄
作者单位：
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, 陕西 西安 710054;
2. 国能神东煤炭集团有限责任公司, 陕西 神木 719315
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摘要
为了揭示浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采动载传递特征及强矿压机理, 以榆家梁煤矿43207工作面为工程背景, 采用现场实测、物理模拟、理论分析相结合的方法, 研究了煤柱覆岩“倒梯形”结构随下部间隔岩层的运动及其载荷传递特征, 分析了超前支承压力和支架载荷的转化规律, 建立了“煤柱–间隔岩层台阶岩梁”耦合结构力学模型, 得出了强矿压瞬间和顶板切落稳定后的支架载荷计算公式。研究结果表明: 煤柱覆岩“倒梯形”结构的集中应力和载荷主要集中于煤柱后段, 后段集中载荷是导致工作面过煤柱强矿压的根源; 工作面进煤柱初期, 煤柱应力表现为双峰; 临近出煤柱时, 应力集中为单峰, 位于煤柱后段。工作面出煤柱4 m后, 煤柱后区的超前支承应力系数达到峰值6.00, 间隔层开始产生超前裂隙; 出煤柱5 m时发生强矿压, 煤柱应力下降43%。强矿压期间, 煤柱应力传递至煤柱下7 m层位(间隔岩层关键层中部)下降了39%, 表明顶板结构承担了相当大的载荷。基于间隔岩层台阶岩梁结构的理论计算, 得出强矿压瞬间的支架载荷计算公式, 按照煤柱平均应力计算得出支架载荷为22.9 MN/架, 按照强矿压时刻煤柱后段应力计算得出支架载荷为24.1 MN/架; 煤柱传递至支架的载荷仅为煤柱总载荷的12%~18%, 仍超过现场支架额定工作阻力9.2 MN/架。因此, 为防止压架, 支架额定工作阻力需达到15 MN/架, 或者对煤柱及间隔岩层结构进行处理, 以保证安全开采。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。
图片
图 1 43207 工作面过上覆平行煤柱开采示意
图 2 43207 工作面顶底板钻孔柱状
图 3 过煤柱期间的来压规律
图 4 物理相似模型与传感器
图 5 工作面进煤柱前和煤柱下的覆岩垮落特征
图 6 工作面出煤柱发生强矿压的覆岩垮落特征
图 7 煤柱下方岩层传感器布置示意
图 8 过煤柱开采时煤柱下方不同层位岩层的平均应力变化
图 9 煤柱下各区域应力集中系数变化规律
图 10 间隔岩层关键层应力集中系数曲线
图 11 工作面超前支承压力系数变化曲线
图 12 超前支承压力峰值系数
图 13 支架载荷随工作面相对煤柱位置变化曲线
图 14 间隔层覆岩下沉曲线
图 15 煤柱上部倒梯形荷载计算模型
图 16 煤柱下方传感器应力变化特征
图 17 浅埋近距离煤层过平行煤柱开采顶板结构
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