軟煤層大采高綜采采場(chǎng)圍巖控制理論及技術(shù)研究.pdf

1、我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富，厚煤層儲(chǔ)量在我國(guó)煤炭總儲(chǔ)量中約占44[％]。因此，厚煤層開(kāi)采技術(shù)在很大程度上決定著我國(guó)整個(gè)煤炭行業(yè)技術(shù)研究水平的提高和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。近十幾年來(lái)，大采高液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)等配套設(shè)備的研制取得了重大突破，促進(jìn)了大采高綜采技術(shù)的進(jìn)步。由于大采高綜采具有資源回收率高、采出煤炭含矸率低、工作面生產(chǎn)時(shí)煤塵少、瓦斯涌出量小等方面的優(yōu)點(diǎn)，使其成為在厚煤層開(kāi)采技術(shù)方面迅速發(fā)展的新工藝。但是，許多專家和學(xué)者通過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和

2、大量的理論研究發(fā)現(xiàn)，在類(lèi)似地質(zhì)條件下，大采高綜采工藝隨著工作面煤壁和支架高度的加大，支架－圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低、事故率增加。如果再受到斷層、裂隙、節(jié)理、褶曲、陷落柱等復(fù)雜地質(zhì)條件及煤質(zhì)松軟且煤層本身為節(jié)理、裂隙發(fā)育的軟弱煤層等因素的影響時(shí)，極有可能會(huì)使得大采高綜采工作面支架－圍巖系統(tǒng)的穩(wěn)定性更差、事故率更高，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。深入、系統(tǒng)地研究軟煤層大采高綜采采場(chǎng)圍巖控制理論及技術(shù)，不僅能為類(lèi)似煤層煤礦的設(shè)計(jì)、開(kāi)采、安全生產(chǎn)

3、的管理和決策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)還能夠豐富和發(fā)展礦山壓力及巖層控制理論，所以，此課題的研究具有重要的理論意義和工程實(shí)際意義。
　　 本文以晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤礦二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層及其頂?shù)装鍨橹饕芯繉?duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算和工業(yè)性試驗(yàn)等方法，對(duì)軟煤層大采高綜采工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、頂板巖層結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律、煤壁片幫機(jī)理及防治技術(shù)、底板損傷破壞、支架－圍巖關(guān)系以及開(kāi)采技術(shù)保障體系等六個(gè)方面做了探索性研究。主

4、要研究成果如下：
　　 ⑴通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，揭示了軟煤層大采高綜采工作面礦山壓力顯現(xiàn)的基本特征和規(guī)律。
　　 ⑵以“砌體梁”理論為基礎(chǔ)，較系統(tǒng)地研究了軟煤層大采高綜采采場(chǎng)上覆巖層的結(jié)構(gòu)形態(tài)、運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律等方面的內(nèi)容。構(gòu)建了軟煤層大采高綜采采場(chǎng)基本頂巖層的平衡結(jié)構(gòu)模型，分析了基本頂巖層受力和變形的影響因素；提出了在軟煤層大采高條件下，基本頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)也具有回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)兩種失穩(wěn)的可能性，并給出了這兩種失穩(wěn)產(chǎn)生

5、的條件；利用彈性力學(xué)變分問(wèn)題方法對(duì)直接頂力學(xué)模型進(jìn)行了求解，得出了直接頂巖層下沉量與基本頂回轉(zhuǎn)角、彈性模量以及液壓支架工作阻力的關(guān)系。
　　 ⑶通過(guò)對(duì)趙莊煤礦3305軟煤層大采高綜采工作面前方煤體塑性區(qū)寬度的數(shù)值模擬和理論計(jì)算，得出了軟煤層大采高綜采工作面煤壁的塑性區(qū)寬度；分析了軟煤層大采高綜采工作面煤壁片幫的主要影響因素，提出了防治煤壁片幫的措施。
　　 ⑷運(yùn)用彈塑性理論計(jì)算出了趙莊煤礦3305軟煤層大采高綜采工作面前

6、方底板巖層和采空區(qū)范圍內(nèi)底板巖層的支承壓力；建立了軟煤層大采高綜采采場(chǎng)底板巖層應(yīng)力的計(jì)算模型，應(yīng)用Westergard 應(yīng)力函數(shù)，對(duì)該模型進(jìn)行了分析計(jì)算，得出了在三個(gè)邊界條件下的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力計(jì)算公式；根據(jù)Coulomb-Mohr 準(zhǔn)則，通過(guò)對(duì)平面應(yīng)力狀態(tài)下軟煤層大采高綜采采場(chǎng)邊緣破壞區(qū)的分析，得出了平面應(yīng)力狀態(tài)下和平面應(yīng)變狀態(tài)下軟煤層大采高綜采采場(chǎng)邊緣底板巖層最大破壞深度的計(jì)算公式；利用修正后的采場(chǎng)底板巖體極限載荷計(jì)算公式和滑移線場(chǎng)理論

7、，建立了軟煤層大采高綜采采場(chǎng)支承壓力所形成的底板屈服破壞深度的計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)該模型的分析計(jì)算，得出了煤層底板巖層的最大破壞深度、最大破壞深度距離工作面端部的水平距離、采空區(qū)內(nèi)底板巖層沿水平面方向最大破壞長(zhǎng)度的計(jì)算公式。
　　 ⑸通過(guò)對(duì)軟煤層大采高綜采工作面液壓支架工作阻力與頂板下沉量關(guān)系的研究，得出了在基本頂給定變形的條件下，軟煤層大采高液壓支架所承擔(dān)給定變形的比例小于普通采高液壓支架，并給出了液壓支架初撐力、工作阻力的確定原

8、則。構(gòu)建了端面頂板漏、冒的“塊體”結(jié)構(gòu)模型，揭示了軟煤層大采高綜采工作面端面頂板冒、漏的機(jī)理，并提出了防治措施。從液壓支架的頂梁長(zhǎng)度與直接頂?shù)淖猿袠O限垮距長(zhǎng)度之間的關(guān)系出發(fā)，對(duì)液壓支架的頂梁長(zhǎng)度、支柱位置與頂板的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。構(gòu)建了支架掩護(hù)梁的受力模型，利用散體介質(zhì)力學(xué)理論，得出了液壓支架掩護(hù)梁所受的水平推力和垂直壓力的計(jì)算公式。
　　 ⑹針對(duì)軟煤層大采高綜采工作面在復(fù)雜地質(zhì)條件下，頂板破碎較為嚴(yán)重，容易產(chǎn)生漏、冒頂、漏風(fēng)嚴(yán)

9、重、上隅角瓦斯易超限等不安全隱患，結(jié)合趙莊煤礦3305軟煤層大采高綜采工作面的實(shí)際情況，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的方法確定了開(kāi)切眼和撤架通道頂板、兩幫的支護(hù)加固技術(shù)、軟煤層大采高綜采工作面超前注射瑪麗散N型材料加固煤壁技術(shù)、預(yù)防工作面煤壁片幫、冒頂?shù)陌踩胧?、工作面綜合管理的安全措施、上隅角防治瓦斯超限措施。形成了一套較為完善的軟煤層大采高綜采輔助技術(shù)，為軟煤層大采高綜采工作面安全高產(chǎn)高效的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)保障?？傊疚耐ㄟ^(guò)對(duì)軟煤層大采高綜采