急傾斜煤層綜采走向分段充填及其巖層控制研究

1、急傾斜煤層綜采走向分段充填及其巖層控制研究煤礦充填或部分充填是減小煤礦開采損害最有效的技術(shù)手段 , 針對(duì)急傾斜煤層全部充填法充填成本高、工效低等問題 , 提出急傾斜煤層走向分段充填開采方法 , 以期減少充填量的同時(shí)能夠確保頂板穩(wěn)定 ,有效控制地表下沉。根據(jù)急傾斜煤層綜采走向分段充填的布置特征 , 利用理論分析、 力學(xué)試驗(yàn)及相似模擬實(shí)驗(yàn)、 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析和典型的急傾斜煤層走向分段充填開采方案設(shè)計(jì)及現(xiàn)場實(shí)踐 , 得到了如下主要研究成果 : （1）提出了急傾斜煤層走向分段充填采煤方法 , 為在急傾斜煤層開采時(shí)有效控制巖層移動(dòng)提供了一種安全、 高效的新途徑。同時(shí) , 根據(jù)急傾斜煤層工作面回采巷道布

2、置特點(diǎn) , 提出了兩種沿空留巷方法。（2）自行研制了臥式多角度礦山開采平面相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái) ,解決了急傾斜煤層開采相似模擬實(shí)驗(yàn)過程中填充模型難度大、不安全等問題 , 研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適合進(jìn)行任何傾角煤層開采的平面應(yīng)力或平面應(yīng)變模型的模擬實(shí)驗(yàn)。（3）以“砂石 +石膏 +水泥”三種原料進(jìn)行了相似材料配比實(shí)驗(yàn) : 試件的平均抗壓強(qiáng)度隨著砂石質(zhì)量比增大而減小,加入適量的水泥會(huì)增大試件抗壓強(qiáng)度。以這三種原料配制的試件的抗壓強(qiáng)度可控制在0.110MPa之間 , 適用于相似比為1:201:200 的相似實(shí)驗(yàn)巖層相似材料配制。 （4）對(duì)急傾斜煤層分段充填開采的頂板變形破壞機(jī)理及巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究 , 理論推

3、導(dǎo)了急傾斜傾向頂板巖梁的撓曲方程 , 分析揭示了無論是在充填區(qū)域還是未充填區(qū)域 , 最大撓度均出現(xiàn)在工作面的中上部位置 ,未充填區(qū)域 , 頂板最大撓度位于工作面的0.62L, 而在充填區(qū)域頂板最大撓度位于 0.89L 處?；卷斣诔涮铙w柱支撐作用下, 充填區(qū)域傾斜頂板巖梁的最大撓度位置較未充填區(qū)域向工作面上部轉(zhuǎn)移1/3 左右。（ 5）通過相似材料模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 , 工作面沿走向推進(jìn)后 , 充填區(qū)域的傾斜巖梁在膠結(jié)充填體的支撐作用下 , 頂板下沉較小 , 頂板巖層僅出現(xiàn)了彎曲下沉。而未充填區(qū)域的頂板則變形較大 , 直接頂出現(xiàn)垮落現(xiàn)象 , 垮落矸石充填采空區(qū)下部 , 對(duì)下部的頂?shù)装迤鸬街渭s束作

4、用。（6）對(duì)于分段充填的未充填區(qū)域來說 , 傾向巖梁上部為直接拉伸斷裂 , 層間巖層為梁式斷裂 , 且斷裂線位置位于工作面的中上部 , 下部為層間裂開形式 , 頂板呈現(xiàn)了“ F”型斷裂形態(tài) , 形成了由下部裂隙發(fā)育支撐區(qū)、頂板彎曲下沉自承區(qū)和上端部支撐區(qū)三個(gè)部分構(gòu)成的二次平衡的承載結(jié)構(gòu)。（7）充填柱體的支撐反力和頂板最大彎矩隨著充填柱體的跨距增大而增大 , 而工作面支架支撐力對(duì)頂板最大彎矩和充填柱體支撐反力影響較小。充填柱體的作用反力（強(qiáng)度）越大 , 充填柱體中心的受力就越大 , 且能減小頂板的最大彎矩值。 （8）充填柱體材料在單軸壓縮條件下 , 試件出現(xiàn)了彈性變形階段、裂隙出現(xiàn)階段、裂隙增加

5、階段、裂隙壓密階段和裂隙滑動(dòng)階段。 試件經(jīng)歷前兩個(gè)階段后 ,出現(xiàn)第一次峰值 , 隨后經(jīng)歷裂隙增加階段、裂隙壓密階段達(dá)到第二次峰值后 , 最終呈現(xiàn)“ X”形態(tài)的剪切破壞。充填柱體中部未破壞區(qū)域隨著膠結(jié)材料比重增加而增大。（9）推導(dǎo)了急傾斜工作面底板的撓度方程 , 利用方程分析了底板的最大撓度位于中部偏上部 （0.62L ）處有最大值 ; 通過數(shù)值模擬得到了底板的最大的主應(yīng)力卸壓區(qū)出現(xiàn)在工作面的中上部 , 主應(yīng)力的卸壓區(qū)大小隨著工作面的推進(jìn)而變大 ; 底板的最大的 yz 剪切力出現(xiàn)在工作面的中上部; 從水平位移變化和垂直位移變化看出, 急傾斜的底板最有可能從工作面的中部開始產(chǎn)生滑移破壞 , 而后上部隨之滑移。（10）針對(duì)了湘永煤礦2463 工作面基本條件進(jìn)行了分段充填方案設(shè)計(jì), 確定了 24 采區(qū)上覆巖層主關(guān)鍵巖層為厚度 105.6m 硅質(zhì)灰?guī)r層 , 亞關(guān)鍵巖層為開采煤層向上第三層的 55.6m 厚中砂巖層 ; 走向分段充填的長充填柱體尺寸為 40.0m, 中心距為 114.0m, 短充填柱體寬度為 12.0m, 中心跨距為 26.0m, 可控制上覆亞關(guān)鍵巖層的變