论文摘要
随着矿井开采深度的增加,在西南地区开采低透气性高瓦斯突出煤层群中,煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的自然灾害之一,而开采保护层是预防突出最有效也是最经济的区域性防突措施。保护层开采的关键是确定保护范围,尤其是针对急倾斜俯伪斜上保护层开采保护范围划定遇到的难题更大。若采用传统的《防治煤与瓦斯突出细则》所规定的经验方法划定其保护范围,将出现被保护层的实际被保护范围与“细则”划定的被保护范围不一致的现象。本文以东林煤矿急倾斜上保护层俯伪斜开采为研究背景,研究了急倾斜上保护层俯伪斜保护层的保护范围划定问题,主要内容包括:(1)通过对煤层开采后的底板应力、变形、破坏规律和瓦斯运移规律进行总结分析,为现场测试和数值模拟分析奠定理论基础。分析表明:随着回采工作面的推进,底板岩层应力经历了采前高度集中、采后急剧卸压和应力恢复三个阶段,对应着采前压缩变形、采后膨胀变形和变形恢复;在压缩区与膨胀区的交界处,底板岩体易发生剪切破坏,而膨胀带岩体则易产生离层裂隙和垂直裂隙;在倾向上,煤层倾角是影响底板岩体应力的变化和破坏形态的重要因素:对缓倾斜及倾斜煤层,在下山口附近煤层底板所承受的应力大于上山口,底板在下山口附近裂隙较发育;而对于急倾斜煤层,冒落矸石向下部采空区充填起到主要作用,限制了下部底板的膨胀及裂隙的生成,造成上部的采动裂隙较下部发育。(2)在理论分析的指导下,对东林煤矿上保护层俯伪斜开采后被保护层的瓦斯压力、流量变化进行现场测定,并分析了瓦斯压力、流量和渗透性系数随工作面推进距离的变化规律,得到了被保护层的原始瓦斯压力分布规律和瓦斯压力变化“四带”范围。研究表明:急倾斜俯伪斜上保护层工作面的倾向各处沿走向的卸压保护角呈非均匀分布,其大小为43.5°～53.6°,沿倾向下部方向卸压角为78.7°,上保护层超前距离不应小于3.4倍层间距。(3)采用三维快速拉格朗日法,通过模拟东林煤矿上保护层俯伪斜开采后被保护层的应力场及变形场的动态发展过程,确定了随着上保护层工作面的推进,被保护层的垂直层理面应力和煤层法向变形规律;根据上保护层开采后的应力卸压保护准则和煤层法向变形保护准则,确定了上保护层沿走向和倾向的保护范围。研究表明:上保护层俯伪斜采煤法沿倾向上、下边界的卸压角分别为81.5°和74°;沿走向的卸压角在倾向上呈非均匀分布,大小为30°～52°,伪倾斜工作面中部的走向卸压角最大,为52°。与现场考察对比发现,数值模拟结果与现场考察结果在数值上和变化规律上均具有较强的一致性,表明采用数值模拟方法来研究急倾斜伪倾斜保护层的保护范围是可行的。(4)综合现场试验和数值模拟结果,最终确定东林煤矿急倾斜俯伪斜上保护层沿倾向下部边界的卸压角为74°;沿走向的卸压角在倾向上呈非均匀分布,大小为30°～53.6°,为安全起见,按照30°的走向卸压角划到被保护层后,再向已保护方向延展5m;同时上保护层超前距离不应小于3.4倍层间距。