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1、2008年第2期能源技术与管理11巨厚煤层放顶煤开采的相似模拟研究1213朱运华,李文乔,陈永超,韦志东(1.河南理工大学安全学院,河南焦作454000;2.煤炭工业郑州设计研究院有限公司,河南郑州450007;3.河南理工大学能源学院,河南焦作454000)[摘要]以河南义马煤业集团公司千秋煤矿二1煤的地质条件为研究依据,通过相似模拟实验,可以直接观测巨厚放顶煤层顶板岩层的变形特征和上覆岩层冒落后的结构特征,借助试验仪器对工作面顶板超前支撑应力的变化规律进行了分析,为巨厚煤层放顶开采提供了一定的依据。[关键词]巨厚煤层;放顶煤;相似模拟实验+[中图分类号]TD
2、822.1[文献标识码]A[文章编号]1672!9943(2008)02!0011!03岩,砾岩厚度为26.7m,砾岩抗压强度为98.5MPa,1模型实验的地质条件含砾粘土岩平均抗压强度35.7MPa。本相似模拟实验是以义煤集团千秋矿二1煤工作面走向长度:上巷长1035m、下巷长为研究对象进行相似模拟实验研究。该矿211811039m,平均长度1037m,方位N89°34′W。倾工作面开采煤层为二1煤,煤层为黑色块状及粉斜104m(切眼),采深为616.5~702.5m,平均采深2末状,结构复杂,含矸3～6层,夹矸岩性分别为粉659.5m,可采面积为124300
3、m。砂岩,细砂岩及泥岩,煤体干燥,松弱破碎,煤岩类2模型的建立[1,2]型为半亮型-半暗型,煤层厚度变化较大,16.81～26.78m之间,平均21.79m。煤层平均倾角12°,煤模型架要求有足够大的刚度,且具有一定的层较为平稳。该煤层易自燃,自燃发火期为30d,宽度,以保证模型的稳定性。根据现有试验条件,煤尘具有爆炸危险。采用ZFSB-4400A-18.2/28型决定在2.5m×0.20m×1.4m(长×宽×高)规格的刚低位放顶煤支架,两采一放、采放平行,放煤步距模型架上进行试验。相似材料是按不同材料配比1.2m。煤层直接顶为泥岩,厚37m,盘区内东薄西把各种
4、材料混合而成的,在进行相似模拟试验前,厚,泥岩抗拉强度1.56～2.37MPa,抗压强度为了了解所选材料的性质以便使模型与原型保持18.0MPa,抗剪强度0.38MPa。老顶以砾岩、细砂较好的物理力学特性相似,要选取合适的相似材岩、泥岩互层为主,具有透水性。盘区上部直接底料配比。相似材料配比如表1所示。为砾岩、砂砾岩,盘区下部直接底板为含砾粘土表1模型相似材料配比表岩性实际厚度/m实际强度/MPa模拟厚度/m模拟强度/kPa相似材料配比/(砂子∶水泥∶石膏)备注粉砂岩8.5088.320.0580600.5769∶5∶5①水量为1/10;泥岩9.5018.000
5、.0950122.4008∶7∶3②煤层的相似材料配比按细砂岩8.9674.720.0896508.0968∶7∶3骨胶比3∶1。其中骨料由砂粗粒砂岩10.3478.000.1034530.4008∶7∶3子、粉煤灰共同组成,且砂中粒砂岩10.5082.870.1050563.5168∶7∶3子∶粉煤灰为3∶7;胶料由碳泥岩37.0018.000.3700122.4008∶7∶3酸钙和石膏组成,且碳酸2煤21.8011.000.218074.8008∶7∶3钙∶石膏=1∶1砾岩26.7098.500.2670669.8009∶5∶5③硼砂质量为水量行位移观测的方
6、法。3模型观测[4,5](2)应力观测方法。(1)位移观测方法。采用的应力测量系统为:YJW-16数字静态本次模型实验的测点位移采用电子经纬仪进电阻应变仪,DYB-1型电阻应变式土压力计传感12朱运华等巨厚煤层放顶煤开采的相似模拟研究2008年第2期器。DYB系列土式传感器的工作原理为:在电阻移几乎是同步的,采空区上方和煤层上方的位移应变式传感器的结构中,将电阻应变片贴在传感都不明显。不管是水平位移还是垂直位移,都是距器的变形膜上,当变形膜受力变形时,电阻应变片煤层最近的岩层位移较大,如图1所示。开采的电阻值将随之发生变化。通过电阻应变仪接受,800mm(相当于
7、现场80m)以后,上覆岩层的移并显示其微应变值,使用时,根据事先标定的“压动仍以垂直位移为主,并且采空区上方的位移明力-微应变值”关系的直线,即可得出作用在该土显大于未开采煤层上方的位移量,上覆岩层向采压力计上的压力值。空区倾斜的趋势并没有停止。在采空区上方,1号测线的前5个点位移量增大,并在2号测线的下4模拟结果及分析方10mm的岩层已垮落,垮落角为42°,厚度为4.1上覆岩层移动规律90mm左右。在2号测线的上方5cm的位置出现在开采初期,在工作面推进100～400mm(相了离层,长度约550mm的离层延伸至工作面上当于现场10～40m),上覆岩层的移动以水
8、平位移方的上覆岩层,并在
