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黄庆享课题组建立浅埋煤层合理煤柱错距计算模型

2018-04-16

  这是西安科技大学黄庆享教授课题组的成果。研究人员以柠条塔煤矿北翼东区浅埋煤层群为背景,通过物理相似模拟、数值计算和地表裂缝实测,研究了不同错距的煤柱集中应力和地表裂缝发育规律,建立了浅埋煤层群开采的煤柱群集中应力和地裂缝控制模型,得出了避开煤柱集中应力和实现地表均匀沉降的耦合判据。这一成果以《浅埋煤层群开采的区段煤柱应力与地表裂缝耦合控制研究》为题,发表于最新一期的《煤炭学报》。


  柠条塔煤矿北翼东区工作面地表裂缝


  陕北侏罗纪煤田是世界七大煤田之一,主要赋存浅埋煤层,其中60%的储量属于浅埋煤层群开采,实现环境友好的开采是该煤田科学采矿的重大课题。浅埋煤层群开采主要存在两方面问题:一是上煤层区段煤柱集中应力影响安全生产;二是煤层群开采形成的地表裂隙严重破坏环境。


  根据对柠条塔煤矿北翼东区工作面地表裂缝实测和覆岩裂隙物理模拟,研究人员得出如下基本规律:


  覆岩裂隙:工作面开采后,覆岩内部不断出现离层裂隙和上行裂隙。离层裂隙由上部覆岩不同步下沉引起,随顶板下沉和垮落,在采空区中央的塌陷盆地内压实闭合。而在工作面四周边界附近,随着顶板断裂和回转,形成集中发育的“上行裂隙”。上行裂隙的发育存在一定角度(约50°),上煤层煤柱位于破断岩层线之内时,将充分下沉,煤柱的主要应力也不再向破断线外传递。因此,煤层间岩层厚度和岩层破断角决定着充分下沉的位置,也决定着避开煤柱应力叠加的距离。


  地表裂缝:包括开切眼边界裂缝、沿工作面间区段煤柱的边界裂缝、平行工作面煤壁周期性出现的平行裂缝。其中,区段煤柱边界裂缝和平行裂缝为主要裂缝。随着工作面推进,地表平行裂缝进入下沉盆地后减小或闭合。而区段煤柱边界裂缝受留设煤柱位置、上下煤层区段煤柱错距等影响较大,是地表裂缝控制的主要对象。


  煤层群开采地表均匀沉降机理示意


  浅埋煤层群开采的地表裂缝产生的主要原因是地表非均匀沉降,虽然采区边界裂缝难以避免,但在沉降盆地内普遍存在的工作面区段煤柱地表裂缝,可以通过合理的煤柱布置来减弱或消除。通过计算,研究人员得出上、下煤层合理煤柱错距为:


  Lε 为减轻地表裂缝的合理煤柱错距; M1 为上煤层采高; M2 为下煤层采高; α1 为上煤层顶板平均回转角; α2 为下煤层顶板平均回转角。


  实现减轻煤柱集中应力和地表裂缝耦合控制的煤柱错距为:


  式中,L 为合理的上下煤柱错距,Lε 为减轻地表裂缝的合理煤柱错距,Lσ为避免压力集中的合理煤柱错距。


  通过计算公式,结合柠条塔煤矿北翼东区工作面地质条件,得出2-2 煤层和1-2煤层区段煤柱合理错距范围为40 ~ 66 m,为环境友好的浅埋煤层群开采提供了科学依据。


  这项研究得到了国家自然科学基金的资金支持。


  责任编辑:宫在芹
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