【能源人都在看，點選右上角加'關注'】
創新點
（1）基於實驗研究結果，理論分析了煤層傾角、採高和工作面長度等開採與非開採影響對採空區非均勻充填的影響規律與作用機制，確定了大傾角煤層走向長壁開採採空區矸石三維非均勻充填特徵與底板臨空面範圍。
（2）基於採空區矸石的非均勻充填特徵與非均衡約束效應，理論研究了大傾角煤層走向長壁採場傾向不同區域頂板沿走向的受載與失穩特徵，揭示了採空區矸石非均衡約束條件下頂板沿走向的非對稱變形破壞演化機理。
作 者
羅生虎1,2,田程陽1,伍永平2,3,解盤石2,3,王紅偉2,3
單 位
1. 西安科技大學 理學院; 2. 西安科技大學 西部礦井開採及災害防治教育部重點實驗室; 3. 西安科技大學 能源學院
研究背景
在大傾角煤層開採中,由於煤層傾角大於垮落矸石的休止角, 頂板破斷垮落後會沿著底板向下滾(滑)動,充填至工作面傾向中下部區域採空區,使回採空間在工作面傾向形成非均勻充填帶,造成充填矸石對上覆岩層約束的非均衡性,從而形成了大傾角煤層走向長壁工作面開採特有的頂板位移與垮落形態。
已有關於頂板受載與變形破壞等方面的研究工作主要是針對工作面傾斜方向,工作面推進方向的較為少見。筆者曾提出,在大傾角煤層開採中,採空區矸石充填特徵不僅在工作面傾向呈現出非均勻性,在工作面走向亦呈現出異性;在深部採空區(相對於支架後方採空區而言,指覆巖垮落充分的採空區)形成下部填實、中部填滿、上部懸空的非均勻充填帶 ,並在工作面傾向中、上部區域支架後方採空區底板上形成倒三角自由面,造成頂板的變形破壞特徵不僅在工作面傾向呈現出明顯的非對稱特性,傾向不同區域頂板沿走向的受載與變形破壞特徵之間亦存在顯著差異;且較深部採空區而言,支架後方採空區的矸石充填特徵對工作面圍巖災變及其穩定性控制的影響更為顯著,而目前鮮有針對該問題的研究。
據此,筆者在已有研究工作基礎上,以焦煤集團2130煤礦25221大傾角綜採工作面為工程背景,採用“理論分析+模擬實驗+現場監測”相結合的研究方法,在對工作面傾斜方向不同區域礦壓顯現規律及其成因綜合釐定和分析的基礎上,系統研究採空區垮落矸石的非均勻充填特徵及其非均衡約束條件下工作面傾向不同區域頂板沿走向巖體結構的受載與失穩特徵,對大傾角煤層開採巖體結構變異致災機制和工作面“支架-圍巖”系統穩定性控制等方面的研究具有一定的理論參考價值。
摘 要
對圍巖的有效控制是大傾角煤層長壁工作面安全高效開採的關鍵,以2130 煤礦25221 大傾角綜採工作面為研究背景,採用“理論分析+模擬實驗+現場監測” 相結合的研究方法,在對工作面礦壓顯現規律及其成因綜合釐定與分析的基礎上,透過構建採空區矸石充填模型和頂板走向力學模型,系統研究了採空區矸石的非均勻充填特徵及其非均衡約束下工作面傾向不同區域頂板沿走向巖體結構的受載與失穩特徵。
結果顯示,採空區矸石充填特徵在工作面走向和傾向均呈現出非均勻性,在工作面傾向中上部區域支架後方採空區底板上易形成倒三角自由面,且其非均勻性隨著煤層傾角、採高和工作面長度的增大而增大。在垮落矸石非均衡約束效應影響下,頂板的受載與變形破壞特徵不僅在工作面傾向具有明顯的非對稱特性,傾向不同區域頂板沿走向的受載與變形破壞特徵及其所形成圍巖結構的基本形態之間亦存在顯著差異。沿工作面傾向自下而上,受採空區矸石充填量與密實程度逐漸減小、矸石與支架間距離逐漸增大的影響,採空區充填矸石對工作面圍巖穩定的貢獻度逐漸減弱,圍巖的運移空間、頻次和幅度等逐漸增大,圍巖結構的穩定性逐漸減弱,支架的受載量及其變化幅度逐漸增大,“ 支架-圍巖” 系統的穩定性等逐漸減弱,且易形成較大來壓。
部分圖片
傾向不同區域支架工作阻力分佈特徵
大傾角煤層長壁開採圍巖剖面示意
頂板垮落-充填演化特徵
支架後方採空區充填模型
支架後方採空區矸石充填影響因素
傾向不同區域圍巖的走向結構特徵
傾向下部區域基本頂巖梁力學模型
傾向不同區域巖梁沿走向撓度和彎矩
巖梁的最大拉應力及其對應位置
# 作者簡介 #
羅生虎，1983年11月生，新疆哈密人，副教授，博士(後)，碩士生導師，畢業於蘭州大學力學系，主要從事基礎力學方面的教學工作和採動巖體力學方面的研究工作。主持國家自然科學基金面上專案、陝西省自然科學基金專案和陝西省教育廳專項科研計劃專案等專案6項，參與國家自然科學基金重點專案、面上專案和企業合作專案等10餘項。發表論文30餘篇，出版專著2部、教材1部，授權實用新型6項、軟著3項，榮獲全國徐芝綸力學優秀教師獎、陝西省科技進步獎、煤炭工業協會科技進步獎和陝西省高等學校科學技術獎勵等獎項。
研究方向：
採動巖體力學方面
來源：
羅生虎,田程陽,伍永平,等. 大傾角煤層長壁開採覆巖走向受載與破壞特徵[J]. 煤炭學報,2021,46(7):2227-2236.
LUO Shenghu,TIAN Chengyang,WU Yongping,et al. Characteristics of loading and failure of overlying rock at working face advancing direction in longwall mining of steeply inclined seam[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(7):2227-2236.
免責宣告：以上內容轉載自煤炭學報，所發內容不代表本平臺立場。
全國能源資訊平臺聯絡電話：010-65367702，郵箱：[email protected]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社
