采空区下近距离煤层综采工作面覆岩结构特征与支架载荷研究

近距离煤层在我国广泛分布,大部分矿区都存在近距离煤层开采问题。随着综合机械化设备、放顶煤和大采高等高产高效技术的推广应用,大部分矿区赋存条件“优越”的煤层储量越来越少,矿井服务年限缩短,这促使近距离煤层的开采问题迅速进入人们的视野,并得到高度重视。 随着煤层层间距的减小,相邻煤层开采的相互影响逐渐增大,层间距小到一定程度时,下层煤开采前其顶板完整程度已受上层煤开采的损伤影响,使得下层煤顶板结构和应力环境发生改变,与单一煤层开采相比,下层煤开采会出现许多新的矿山压力现象,如极易造成工作面顶板冒、漏事故和支架压架等。但是国内外目前对采空区下近距离煤层开采研究成果甚少,因此,要保持上述矿区的高产高效和可持续发展,就必须进行近距离煤层开采相关问题的研究。 采空区下近距离煤层开采已有研究成果主要集中在下层煤开采工作面矿压显现规律分析及以避开煤柱集中应力为出发点进行下层煤巷道合理位置的选择和围岩控制等方面,而对于采空区下近距离煤层综采工作面覆岩结构及支架载荷的确定等问题尚无系统研究,造成工作面维护困难,采掘接替紧张和煤炭严重丢失等。 本文以采空区下近距离煤层工作面开采为研究对象,通过理论分析、UDEC数值模拟和现场观测等方法,对采空区下近距离煤层综采工作面四种覆岩结构及其垮落特征、支架承载特征和支架合理载荷的确定进行系统的研究。研究内容如下： (1)通过理论分析、UDEC数值模拟,按支架承受上覆岩层情况,将采空区下近距离煤层综采工作面上覆岩层划分为“直接顶岩层+垮落带岩层"结构、“直接顶岩层+垮落带岩层+裂隙带岩层"结构、“直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层”结构和“直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层+裂隙带岩层”结构形式,分析四种结构形式的垮落特征和支架承载特征。通过其垮落特征的研究为采空区下近距离煤层综采工作面支架合理载荷的确定提供理论依据。 (2)依次对采空区下近距离煤层综采工作面“直接顶岩层+垮落带岩层”结构、“直接顶岩层+垮落带岩层+裂隙带岩层”结构、“直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层”结构和“直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层+裂隙带岩层”结构进行静载荷与动载荷分析,提出四种结构支架合理载荷的确定方法。 (3)现场工程应用。根据嘉乐泉矿9101工作面实际地质条件,确定其上覆岩层为“直接顶岩层+基本顶岩层+垮落带岩层”结构,理论计算支架工作阻力为3893.9～4264.8kN/架,实际生产中选用ZY4000～13/28型支架,采用现场实测数据,通过理论计算所得工作阻力为3676.3～4026.5kN/架。现场矿压实测9101工作面实测来压期间支架最大工作阻力与平均工作阻力分别为4626kN/架和3605kN/架,说明ZY4000-13/28型支架的额定工作阻力4000kN·架-1是可行的。