急倾斜煤层综采走向分段充填及其岩层控制研究

1、急倾斜煤层综采走向分段充填及其岩层控制研究煤矿充填或部分充填是减小煤矿开采损害最有效的技术手段 , 针对急倾斜煤层全部充填法充填成本高、工效低等问题 , 提出急倾斜煤层走向分段充填开采方法 , 以期减少充填量的同时能够确保顶板稳定 ,有效控制地表下沉。根据急倾斜煤层综采走向分段充填的布置特征 , 利用理论分析、 力学试验及相似模拟实验、 计算机数值模拟分析和典型的急倾斜煤层走向分段充填开采方案设计及现场实践 , 得到了如下主要研究成果 : （1）提出了急倾斜煤层走向分段充填采煤方法 , 为在急倾斜煤层开采时有效控制岩层移动提供了一种安全、 高效的新途径。同时 , 根据急倾斜煤层工作面回采巷道布

2、置特点 , 提出了两种沿空留巷方法。（2）自行研制了卧式多角度矿山开采平面相似模拟实验平台 ,解决了急倾斜煤层开采相似模拟实验过程中填充模型难度大、不安全等问题 , 研制的实验平台适合进行任何倾角煤层开采的平面应力或平面应变模型的模拟实验。（3）以“砂石 +石膏 +水泥”三种原料进行了相似材料配比实验 : 试件的平均抗压强度随着砂石质量比增大而减小,加入适量的水泥会增大试件抗压强度。以这三种原料配制的试件的抗压强度可控制在0.110MPa之间 , 适用于相似比为1:201:200 的相似实验岩层相似材料配制。 （4）对急倾斜煤层分段充填开采的顶板变形破坏机理及岩层移动规律进行了研究 , 理论推

3、导了急倾斜倾向顶板岩梁的挠曲方程 , 分析揭示了无论是在充填区域还是未充填区域 , 最大挠度均出现在工作面的中上部位置 ,未充填区域 , 顶板最大挠度位于工作面的0.62L, 而在充填区域顶板最大挠度位于 0.89L 处。基本顶在充填体柱支撑作用下, 充填区域倾斜顶板岩梁的最大挠度位置较未充填区域向工作面上部转移1/3 左右。（ 5）通过相似材料模型实验结果分析 , 工作面沿走向推进后 , 充填区域的倾斜岩梁在胶结充填体的支撑作用下 , 顶板下沉较小 , 顶板岩层仅出现了弯曲下沉。而未充填区域的顶板则变形较大 , 直接顶出现垮落现象 , 垮落矸石充填采空区下部 , 对下部的顶底板起到支撑约束作

4、用。（6）对于分段充填的未充填区域来说 , 倾向岩梁上部为直接拉伸断裂 , 层间岩层为梁式断裂 , 且断裂线位置位于工作面的中上部 , 下部为层间裂开形式 , 顶板呈现了“ F”型断裂形态 , 形成了由下部裂隙发育支撑区、顶板弯曲下沉自承区和上端部支撑区三个部分构成的二次平衡的承载结构。（7）充填柱体的支撑反力和顶板最大弯矩随着充填柱体的跨距增大而增大 , 而工作面支架支撑力对顶板最大弯矩和充填柱体支撑反力影响较小。充填柱体的作用反力（强度）越大 , 充填柱体中心的受力就越大 , 且能减小顶板的最大弯矩值。 （8）充填柱体材料在单轴压缩条件下 , 试件出现了弹性变形阶段、裂隙出现阶段、裂隙增加

5、阶段、裂隙压密阶段和裂隙滑动阶段。 试件经历前两个阶段后 ,出现第一次峰值 , 随后经历裂隙增加阶段、裂隙压密阶段达到第二次峰值后 , 最终呈现“ X”形态的剪切破坏。充填柱体中部未破坏区域随着胶结材料比重增加而增大。（9）推导了急倾斜工作面底板的挠度方程 , 利用方程分析了底板的最大挠度位于中部偏上部 （0.62L ）处有最大值 ; 通过数值模拟得到了底板的最大的主应力卸压区出现在工作面的中上部 , 主应力的卸压区大小随着工作面的推进而变大 ; 底板的最大的 yz 剪切力出现在工作面的中上部; 从水平位移变化和垂直位移变化看出, 急倾斜的底板最有可能从工作面的中部开始产生滑移破坏 , 而后上部随之滑移。（10）针对了湘永煤矿2463 工作面基本条件进行了分段充填方案设计, 确定了 24 采区上覆岩层主关键岩层为厚度 105.6m 硅质灰岩层 , 亚关键岩层为开采煤层向上第三层的 55.6m 厚中砂岩层 ; 走向分段充填的长充填柱体尺寸为 40.0m, 中心距为 114.0m, 短充填柱体宽度为 12.0m, 中心跨距为 26.0m, 可控制上覆亚关键岩层的变