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创新点
（1）推导了顶板破断步距与倾角的函数关系，发现急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系，当倾角大于60°时，顶板破断步距出现陡然增大，对工作矿压显现产生较大影响。
（2）分析得出急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩下位坚硬岩层沿倾向形成平衡结构，随着下分段开采和放煤，平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程，对工作面形成动态冲击作用。
（3）研究得出急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶底板夹持作用下，将形成非对称倾向支承压力分布。工作面靠近顶板侧封闭夹持，煤体处于三向应力状态，应力集中程度高，积聚大量弹性变形能；靠底板侧煤体处于开放夹持状态，煤体易破坏卸压，释放弹性变形能。
（4）研究得出急倾斜特厚煤层水平分段综放开采覆岩破断步距大，相较于近水平煤层顶板破裂瞬间释放弹性变形能成倍增加，且采空区覆岩结构失稳释放的重力势能成倍增加，增大了冲击危险性。
（5）提出了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压是由覆岩结构在下位分段开采放煤过程中，导致的结构破断旋转、跌落、挤压俯冲等冲击动载与工作面底煤集中静载叠加达到冲击临界载荷时诱发的夹持冲击型动力灾害。
作 者
何 江 1,2,3,窦林名1,2,3,曹晋荣3,吴江湖3,曹立厅3
作者单位
1.中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室 2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室 3.中国矿业大学矿业工程学院
研究背景
冲击矿压呈现快速增强的趋势,已成为煤矿开采面临的一大灾害。我国急倾斜煤层开采的矿井有100 多处,遍布20 多个矿区,占国内煤炭总储量的15% ~ 20%。急倾斜特厚煤层水平分段综放开采是急倾斜特厚煤层实现高效开采的主要途径,在我国应用较为广泛。该类条件工作面开采过程中出现了多起冲击矿压灾害显现,对安全开采构成了较大威胁。如:华亭煤矿采用水平分段综采放顶煤开采急倾斜煤层时,出现了强烈震动,回采巷道顶底板及两帮瞬间鼓起,支护系统失效,回采巷道大型设备列车掀翻,造成人员伤亡等冲击矿压现象。从2011 年开始,乌东煤矿发生了多次冲击矿压灾害现象,给矿井生产造成了严重的影响。
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摘 要
我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。
研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3 种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。
工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3． 25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。
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文中部分图片
图3 冲击矿压显现照片
图6 覆岩失稳运动类型
