急倾斜特厚煤层水平分层开采技术研究

刘胜

摘 要：急倾斜煤层在我国缺煤地区占据较大的比例。本文通过物理试验和数值模拟对急倾斜煤层开采过程中的覆岩变化规律进行了研究，研究表明：在开采初期，每一分段的开采都会导致前分段开采形成的破碎块体的滑落，而在开采后期，由于岩块的铰接固定作用，破碎块体进一步向下滑落的趋势；煤层厚度越大就越难形成稳定的拱形平衡结构。

关键词：急倾斜特厚煤层 水平分层开采 覆岩

我国煤炭资源丰富，但是由于不同的地质构造条件不同，煤炭资源开采的难度也不尽相同。急倾斜煤层在我国的新疆、青海、甘肃等西部地区和四川、贵州、海南等南方缺煤地区占据相当大的比重。急倾斜煤层的形成是由于初期地壳的不均匀沉降导致后期褶皱和断裂运动的结果，煤层倾角从45°到90°变化，煤层较为复杂，在地质构造作用下呈扁豆状、串珠状或藕节状。急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤开采是近年来发展起来的一种急倾斜特厚煤层的新型开采方式，对急倾斜特厚煤层按照一定的高度分成若干段，在分段内先采出底部工作面的煤，随即放出上部顶煤的采煤方法称为水平分段放顶煤采煤法。对于急倾斜特厚煤层水平分段综放开采的研究，我国已经较为深入，但是对于复杂不稳定的急倾斜特厚煤层目前尚无系统的研究，因此本文通过对急倾斜特厚煤层煤层倾角变化大、煤层厚度变化大、煤层较软、断层构造发育、等复杂不稳定条件为背景，对急倾斜特厚煤层水平分层开采关键技术进行研究。

1 物理试验研究

1.1 煤矿煤层地质条件

目前采用联合布置方式开采C1、C2、C3煤层，煤层最大厚度达50m，一般煤层厚度15-45m之间，煤层倾角在30°-90°之间，采用水平分段轻型支架放顶煤开采工艺。

1.2 物理试验参数

试验采用false的二维平面应力试验台，保证实验模型和原型的几何相似、容重相似和强度相似，如表2所示为物理试验模型的相似比。

1.3 实验结果

在第一和第二分段开挖后，上层覆岩没有明显的变化。第三阶段开挖后，覆岩直接顶开始出现微小的裂隙，随着试验的进行，逐渐出现大裂隙的离层，最后直接顶垮落，垮落厚度为3cm，长度33cm。第四分段开挖后，采空区的煤矸石和岩层进一步下滑至下一分段岩层上方，继续向上垮塌，并且在上覆岩区出现裂缝。第五分段开挖后，采空区的冒落体继续下滑，同时继续向上垮落。第六分段开挖后，采空区的小块体不断下滑，大块体以靠近顶板一侧发生旋转，产生剧烈的垮塌。第七分段开挖后，前几分段开挖后的冒落体相互铰接形成固定支撑作用，只有少许小块体滑落到下方。第八分段开挖后跟第七分段开挖后结果较为一致，只是在最后的上层覆岩中出现几条裂隙并逐渐扩大。第九分段开挖后，采空区整体下滑，覆岩的破裂几乎贯通至地表。第十分段开挖后，只有少数的破碎体滑落下来，采空区上部几乎没有变化，并且在采空区由于铰支作用形成一个空洞。第十一分段开挖后，之前铰支固定的块体再次发生滑落破坏，上部覆岩出现大量的裂隙。由以上分析可知，急倾斜特厚煤层水平分段开采，开采初期和后期的覆岩垮落形态具有较大的差异性。在开采初期，每一分段的开采都会导致前分段开采形成的破碎块体的滑落，而在开采后期，由于岩块的铰接固定作用，破碎块体进一步向下滑落的趋势。

2数值模拟结果

2.1 不同分段开采数值模拟结果

煤层倾角为35°时，不同分段开采后的覆岩垮落情况数值模拟。第一分段开采后，上方起保护作用的煤柱开始向采空区冒落，同时直接顶开始出现弯曲变形的情况。第二分段开挖后，直接顶部分垮落在顶煤上方，覆岩呈拱状平衡结构，起到支撑作用。第三分段破坏后，拱形结构还起到支撑作用，与第三分段开挖后较为相似。第四分段开挖后，拱形结构破坏，覆岩产生大规模的垮塌破坏。第五分段开挖之后，覆岩再次形成了拱形平衡结构，底板巷一侧的冒落煤岩体部分下滑至工作面顶煤上方。第六分段开挖后结果与第五分段较为类似。第七分段开挖后，拱形结构再次破坏，覆岩发生第二次的大规模的垮落现象。第八、九、十分段开挖后与前两次覆岩垮塌结果类似，先形成支撑结构，最后在破坏，覆岩垮塌。第十一分段开挖后直接顶第二次发生完全垮塌，并且压到底板上形成新的平衡结构，由于开采深度的不断增加，工作面上上方冒落的破碎块体进一步增加，第十二分段开挖后，平衡结构未发生破坏，覆岩未发生明显的移动。

2.2覆岩破坏形态随煤层厚度的变化

不论煤层厚度如何变化，覆岩的移动都是因应力场的重新分布形成的心得平衡结构。煤层厚度为24m和30m时覆岩的破坏规律非常相似，每次覆岩垮落时都在底板上形成新的稳定的平衡结构，呈现拱形结构。随着煤层厚度的增加，覆岩的破坏规律较煤层较薄覆岩破坏规律具有较大的差异，覆岩垮落时无法形成拱形平衡结构，主要是覆岩垮落时破碎距离未能超过工作平面的长度导致的。由以上分析可知，当煤层厚度较小时，较容易产生拱形平衡结构，当煤层超过30m时，覆岩垮落形成稳定的拱形平衡结构难度增大，此时，煤层厚度越大就越难形成稳定的拱形平衡结构。

3 结论

（1）急倾斜特厚煤层水平分段开采，开采初期和后期的覆岩垮落形态具有较大的差异性。在开采初期，每一分段的开采都会导致前分段开采形成的破碎块体的滑落，而在开采后期，由于岩块的铰接固定作用，破碎块体进一步向下滑落的趋势。

（2） 当煤层厚度较小时，较容易产生拱形平衡结构，当煤层超过30m时，覆岩垮落形成稳定的拱形平衡结构难度增大，此时，煤层厚度越大就越难形成稳定的拱形平衡结构。

参考文献：

[1] 屠洪盛.薄及中厚急倾斜煤层长壁综采覆岩运动规律与控制机理研究[D].中国矿业大学，2014.

[2] 谢东海.急倾斜突出煤层群煤与瓦斯共采理論及应用[D].中南大学，2013.

[3] 于健浩.急倾斜煤层充填开采方法及其围岩移动机理研究[D].中国矿业大学（北京），2013.