厚硬岩层下顶煤冒放性分析

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1、http://www.paper.edu.cn厚硬岩层下顶煤冒放性分析张东升，缪协兴，马立强（中国矿业大学，江苏徐州221008）dszhang123@263.net摘要：顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接顶和老顶岩层的活动规律密切相关。针对某一厚硬岩层既是上层煤的底板，又直接是下层煤顶板的实际情况，采用数值计算与物理模拟相结合的研究方法，分析清楚了厚硬岩层的破断特征。在此基础上，提出了9种上层煤与下层煤不同开采方案，系统分析了下层煤顶煤压缩量的变化，并确定出上层煤与下层煤工作面交错的合理布置方式，为下层煤推

2、广综放开采工艺提供了设计指导。关键词：厚硬岩层；冒放性；压缩量；交错布置1.引言以徐州矿区为代表的我国华东矿区赋存有大量的“两硬”煤层，煤层硬度较大（f>2）、顶板坚硬且厚度也较大（20m左右）。此类煤层综放开采技术的应用成功，需解决两个关键[1，2]问题：一是硬顶煤的冒放性；二是厚硬顶板的控制。本文主要针对第一个问题分析了厚硬岩层的破断特征及合理的综放开采方案。厚硬岩层工程性质的总的特征是“硬”、“整”、“厚”。所谓“硬”是指岩层的强度高，强度一般都在60MPa~150MPa；所谓“整”是指岩层的裂隙不发育，整体性强；所谓“

3、厚”[3]是指岩层的厚度大，通常大于10m。以徐州张双楼煤矿为代表的华东矿区厚硬顶板在垮落形态和来压规律上，与大同矿区的不同。本文将以张双楼煤矿的煤层赋存条件为基础，重点阐述厚硬岩层的破断对顶煤裂隙扩展的影响及厚硬岩层上煤层的开采对下煤层顶煤压缩量的影响等问题，为厚硬岩层下综放开采技术的成功应用，提供设计指导。2.工作面基础条件####张双楼煤矿主采7煤层和9煤层。9煤层的直接顶板是7煤层的直接底，为灰色细砂岩，厚度0.95~46.94m，平均20.05m；其抗压强度58.80~151.70MPa，平均84.08Mpa；抗拉#

4、强度2.17~6.23MPa，平均4.96MPa。9109工作面标高-575~-671m，埋藏深度约600m；9煤层总厚2.1~4.5m，平均3.6m；直接底为3.0m的泥岩，老底为8.56m灰白色细砂岩；煤层3倾角16°~28°，平均24°；煤的容重为1.37t/m，煤硬度较大，f=2~2.5。该工作面煤岩层#综合柱状如图1所示。过去该矿一直采用大采高综采工艺，但由于9煤顶板厚而硬、倾角大出现支架歪倒等因素的影响，工作面单产较低。为此尝试在厚硬顶板条件下采用综放工艺。本课题得到国家自然科学基金资助项目(50374065)；国

5、家杰出青年科学基金资助项目（50225414）；教育部科学技术研究重点项目(105024)-1-http://www.paper.edu.cn3.厚硬顶板破断特征#9煤顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接顶厚硬岩层的活动规律#[4~7]密切相关。分析9煤的冒放性，应基于这种厚硬顶板的破断特征。为此，进行了实验室相似材料模拟试验。层厚/m岩石名称柱状岩性描述2.74细砂岩深灰色块状，下部含砂较多，致密，性脆深灰色，成分以石英、长石为主，3.10砂质泥岩含较多暗色矿物，泥质胶结，含植物化石及菱铁质灰色，块状，致密块

6、状，下部含砂18.90细砂岩较多裂隙发育，含少量植物化石深灰色，致密块状，含砂不均，含大量植物化石及黄铁矿薄膜6.30泥岩黑色，油脂光泽，条带状结构，块状构造参差状断口，硬度3.967煤2~2.5灰白色，成分以石英、长石为主，含暗色矿物，上部钙质胶结，下部泥质胶结，中厚层状，缓波状细砂岩层理。工作面西部运煤上山附近20.05伪顶泥岩局部发育，厚0~3.0m黑色，半亮型，块状，油脂~玻璃光泽，参差状断口，性脆，普3.609煤氏硬度2~2.5度3.00泥岩灰黑色，致密性脆，易碎，含植物根系化石8.56灰白色，泥质胶结，以石英、长细

7、砂岩石为主，水平层理9.84泥岩深灰色，致密，块状，性脆图19109工作面煤岩层综合柱状Fig.1Comprehensivecolumnofthe9109coalface3.1模型制作与配比（1）模型设计实验使用简易立体模型架，模型架长250cm，宽150cm，两侧边为20cm宽的支座用以模拟边界条件。模型采用底卸式开采，底片长150cm，宽6cm，材料为角钢。逐条拧动顶在底片上的螺栓，即可降下底片，模拟工作面的开采过程。对于工作面上下两侧实体煤支承的基本顶边界采用20cm宽的槽钢用千斤顶加压固定[8][9]形成固支边界；实验

8、采用自重为3.5Kg的铁块加载模拟基本顶岩层所承受的载荷。（2）相似材料配比模型材料配比特征及具体用量参见表1。由于采用石膏为主要胶结料时，相似材料的脆性与采场岩体较为接近，模拟的岩体强度较大，而且制作工艺简单、材料来源方便。因此，模拟试验中，基本顶岩层相似材料采用砂子、石膏