急倾斜夹持煤体承载特征及地面斜井压裂防冲方法
于斌1
李勇1
彭明贤1
高瑞2
杨文连3
李明3
邰阳1
尚子榆4
丁俊1
苗伟东3
赵鸿杰2
1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 4000442.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 0300023.甘肃靖煤能源有限公司,甘肃平川 7309134.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221116
摘要：我国西北部地区作为"一带一路"沿线的重要枢纽,同时作为国家煤炭资源的主产区,其能源安全保障意义重大.受复杂地质构造演化影响,该区域广泛发育急倾斜煤层.独特的地质赋存条件导致这类煤层开采过程中形成特殊的顶底板"夹持"结构,采场冲击地压灾害频发.然而,当前对"夹持"作用下煤体应力与能量分布仍缺乏定量分析,现有防治技术存在明显局限.为此,构建了基于Timoshenko梁理论的急倾斜悬臂顶板弹性支撑力学模型,结合Winkler弹性地基支撑力与挠度的定量关系,推导出煤体荷载与能量分布解析式,量化分析了顶板悬臂长度、厚度及倾角对两者的影响.创新提出了地面斜井区域压裂改造"夹持"结构、调控应力环境的冲击地压防治新方法,初步明确了该方法的防冲机理与效果.研究表明:煤体荷载与能量峰值随顶板悬臂长度和厚度的增加显著提升.悬臂长度由15 m增至45 m,煤体峰值荷载增长13倍,能量增加168倍;顶板厚度由10m增至22 m,荷载与能量峰值分别增至11.5×109N和3.9×1010J,且峰值位置向远离煤壁端偏移.相比之下,岩层倾角对煤体荷载与能量分布影响较小.地面斜井区域压裂通过构建网格化裂缝,将完整顶板分割为规则岩段,使覆岩运动模式由传统悬顶结构周期性破断转变为压裂岩段沿裂缝面滑移失稳,从根本上弱化了顶底板对煤层的"夹持"作用,并将顶板破断动载由突发性冲击转变为渐进式释放,有效削弱了冲击地压风险.压裂后形成"采动-压裂"协同破裂效应,使致冲关键层提前破断,消除大跨度悬顶结构,缩短悬顶时间,煤层剪切应力峰值降低41.9％.此外,压裂裂缝的"通道"效应促进覆岩裂隙发育高度增加31.4 m,垮落矸石量增多,碎胀性作用下采空区充填质量增强,形成更稳定的"矸石-顶板"承载体系,有效抑制顶板弯曲变形,促使覆岩应力通过矸石向底板岩体转移.
关键词：急倾斜煤层冲击地压煤体荷载与能量地面斜井区域压裂覆岩裂隙
分类号：TD324(矿山压力与支护)
资助基金：国家自然科学基金(52204127)国家自然科学基金(52274135)
论文发表日期：2025-06-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：16( 2773-2788 )
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