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      這是西安科技大學(xué)黃慶享教授課題組的成果。研究人員以檸條塔煤礦北翼東區(qū)淺埋煤層群為背景，通過物理相似模擬、數(shù)值計算和地表裂縫實(shí)測，研究了不同錯距的煤柱集中應(yīng)力和地表裂縫發(fā)育規(guī)律，建立了淺埋煤層群開采的煤柱群集中應(yīng)力和地裂縫控制模型，得出了避開煤柱集中應(yīng)力和實(shí)現(xiàn)地表均勻沉降的耦合判據(jù)。這一成果以《淺埋煤層群開采的區(qū)段煤柱應(yīng)力與地表裂縫耦合控制研究》為題，發(fā)表于最新一期的《煤炭學(xué)報》。

　　檸條塔煤礦北翼東區(qū)工作面地表裂縫

　　陜北侏羅紀(jì)煤田是世界七大煤田之一，主要賦存淺埋煤層，其中60%的儲量屬于淺埋煤層群開采，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的開采是該煤田科學(xué)采礦的重大課題。淺埋煤層群開采主要存在兩方面問題：一是上煤層區(qū)段煤柱集中應(yīng)力影響安全生產(chǎn)；二是煤層群開采形成的地表裂隙嚴(yán)重破壞環(huán)境。

　　根據(jù)對檸條塔煤礦北翼東區(qū)工作面地表裂縫實(shí)測和覆巖裂隙物理模擬，研究人員得出如下基本規(guī)律：

　　覆巖裂隙：工作面開采后，覆巖內(nèi)部不斷出現(xiàn)離層裂隙和上行裂隙。離層裂隙由上部覆巖不同步下沉引起，隨頂板下沉和垮落，在采空區(qū)中央的塌陷盆地內(nèi)壓實(shí)閉合。而在工作面四周邊界附近，隨著頂板斷裂和回轉(zhuǎn)，形成集中發(fā)育的“上行裂隙”。上行裂隙的發(fā)育存在一定角度(約50°)，上煤層煤柱位于破斷巖層線之內(nèi)時，將充分下沉，煤柱的主要應(yīng)力也不再向破斷線外傳遞。因此，煤層間巖層厚度和巖層破斷角決定著充分下沉的位置，也決定著避開煤柱應(yīng)力疊加的距離。

　　地表裂縫：包括開切眼邊界裂縫、沿工作面間區(qū)段煤柱的邊界裂縫、平行工作面煤壁周期性出現(xiàn)的平行裂縫。其中，區(qū)段煤柱邊界裂縫和平行裂縫為主要裂縫。隨著工作面推進(jìn)，地表平行裂縫進(jìn)入下沉盆地后減小或閉合。而區(qū)段煤柱邊界裂縫受留設(shè)煤柱位置、上下煤層區(qū)段煤柱錯距等影響較大，是地表裂縫控制的主要對象。

　　煤層群開采地表均勻沉降機(jī)理示意

　　淺埋煤層群開采的地表裂縫產(chǎn)生的主要原因是地表非均勻沉降，雖然采區(qū)邊界裂縫難以避免，但在沉降盆地內(nèi)普遍存在的工作面區(qū)段煤柱地表裂縫，可以通過合理的煤柱布置來減弱或消除。通過計算，研究人員得出上、下煤層合理煤柱錯距為：

　　Lε 為減輕地表裂縫的合理煤柱錯距； M1 為上煤層采高； M2 為下煤層采高； α1 為上煤層頂板平均回轉(zhuǎn)角； α2 為下煤層頂板平均回轉(zhuǎn)角。

　　實(shí)現(xiàn)減輕煤柱集中應(yīng)力和地表裂縫耦合控制的煤柱錯距為：

　　式中，L 為合理的上下煤柱錯距，Lε 為減輕地表裂縫的合理煤柱錯距，Lσ為避免壓力集中的合理煤柱錯距。

　　通過計算公式，結(jié)合檸條塔煤礦北翼東區(qū)工作面地質(zhì)條件，得出2-2 煤層和1-2煤層區(qū)段煤柱合理錯距范圍為40 ~ 66 m，為環(huán)境友好的淺埋煤層群開采提供了科學(xué)依據(jù)。

　　這項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金的資金支持。