軟煤層大采高綜采采場圍巖控制理論及技術(shù)研究.pdf

1、我國煤炭儲(chǔ)量豐富，厚煤層儲(chǔ)量在我國煤炭總儲(chǔ)量中約占44[％]。因此，厚煤層開采技術(shù)在很大程度上決定著我國整個(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，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)者通過多年的現(xiàn)場觀測和

2、大量的理論研究發(fā)現(xiàn)，在類似地質(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)帶來嚴(yán)重的隱患。深入、系統(tǒng)地研究軟煤層大采高綜采采場圍巖控制理論及技術(shù)，不僅能為類似煤層煤礦的設(shè)計(jì)、開采、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ο?，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析、數(shù)值模擬計(jì)算和工業(yè)性試驗(yàn)等方法，對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通過現(xiàn)場實(shí)測的方法，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)變分問題方法對直接頂力學(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通過對趙莊煤礦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底板巖層應(yīng)力的計(jì)算模型，應(yīng)用Westergard 應(yīng)力函數(shù)，對該模型進(jìn)行了分析計(jì)算，得出了在三個(gè)邊界條件下的采場圍巖應(yīng)力計(jì)算公式；根據(jù)Coulomb-Mohr 準(zhǔn)則，通過對平面應(yīng)力狀態(tài)下軟煤層大采高綜采采場邊緣破壞區(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；利用修正后的采場底板巖體極限載荷計(jì)算公式和滑移線場理論

7、，建立了軟煤層大采高綜采采場支承壓力所形成的底板屈服破壞深度的計(jì)算模型，通過對該模型的分析計(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度的計(jì)算公式。
　　 ⑸通過對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度與直接頂?shù)淖猿袠O限垮距長度之間的關(guān)系出發(fā)，對液壓支架的頂梁長度、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)場實(shí)踐的方法確定了開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⒐ぷ髅婢C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^對軟煤層大采高綜采