采空區(qū)頂板垮落空氣沖擊災害的理論及控制技術研究.pdf

1、長期以來，煤炭在中國的能源構成中占有十分重要的比例。煤炭工業(yè)在我國國民經濟中處于基礎地位，是不可替代的。煤炭工業(yè)的安全高效開發(fā)對我國國民經濟的快速、平穩(wěn)和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。頂板事故是煤礦的五大主要災害之一，而煤礦頂板大面積垮落又是頂板事故中最危險的一種表現(xiàn)形式。采空區(qū)頂板在短時間內大面積垮落，不僅因自身重力產生嚴重的沖擊破壞，而且更加嚴重的是把已采空間的空氣在瞬間高速壓出，形成空氣沖擊災害，造成嚴重的人員傷害和設備損壞等

2、后果?？v觀中國煤礦歷次頂板大面積垮落引起的空氣沖擊災害事故，其致災的根本原因都是因對煤礦頂板大面積垮落引起的動力沖擊現(xiàn)象研究不夠，對其災害發(fā)生的機理和規(guī)律沒有形成系統(tǒng)的科學預測理論和判據(jù)，難以提出實用有效的預警措施和防災工程設計依據(jù)，以便在實踐中科學地指導礦井的頂板大面積垮落空氣沖擊災害防治工作。因此，非常有必要對采場頂板大面積垮落引起的空氣沖擊災害進行更加深入的理論基礎與現(xiàn)場防治實踐研究，以實現(xiàn)我國煤炭工業(yè)的健康順利發(fā)展。
　　

3、 本文采用數(shù)學物理模型、實驗室模擬和現(xiàn)場實踐研究的方法，對采空區(qū)頂板垮落空氣沖擊災害理論及控制技術進行研究。構建了采空區(qū)頂板整體切落力學模型、O-X斷裂垮落力學模型以及房柱式開采頂板整體切落力學模型;研究了頂板垮落過程中采空區(qū)、巷道風速和風壓的發(fā)生機理及演變規(guī)律;開展了實驗室模擬，驗證了頂板垮落-空氣耦合沖擊規(guī)律的一致性;建立了不同頂板垮落形式下空氣沖擊災害對巷道人員及設備的損傷和損壞模型，給出了巷道內人員損傷及設備損壞的判則;依據(jù)具

4、體的現(xiàn)場工程背景，提出了采場頂板大面積垮落所導致的空氣沖擊災害的防災工程設計方法與減災控制技術措施。
　　 主要結論如下:
　　 (1)構建了頂板全部切落-整體運動型、頂板O-X破斷回轉下沉運動型的空氣沖擊理論預測模型，分析了頂板整體切落時，采空區(qū)空氣壓強的變化規(guī)律，推導了采空區(qū)、巷道口及巷道內空氣的沖擊速度隨頂板垮落高度變化的計算公式，并依據(jù)開采實際與邊界條件，采用有限差分方法預測出了具體算例條件下空氣沖擊災害的相關臨

5、界指標。
　　 (2)設計研制出了頂板垮落-空氣沖擊耦合模擬實驗臺，通過模擬頂板不同垮落高度時采空區(qū)不同位置的空氣流速，并利用MATLAB軟件，采用二次插值法繪制了不同垮落高度時采空區(qū)的速度分布場，揭示了采空區(qū)風速呈以模型實驗臺中部為對稱面的對稱分布規(guī)律。試驗結果表明，靠近巷道口位置風速最大，工作面煤壁側風速次之，采空區(qū)側風速最低。在巷道0cm、10cm、30cm、50cm、80cm、100cm六個位置安設風速傳感器，測得各自風

6、速值，得出了隨頂板垮落高度的不同，巷道某一位置風速的變化規(guī)律;頂板垮落-空氣沖擊時，沿巷道方向風速呈現(xiàn)隨距離增加的衰減規(guī)律;空氣自采空區(qū)流向巷道，受采空區(qū)面積與巷道斷面積之比的影響規(guī)律。
　　 (3)根據(jù)井下人員受沖擊空氣超壓傷害的評價原則，建立了人員受空氣沖擊超壓傷害的評判模型(Ⅰ)，確定人員受傷等級;并依人員受空氣沖擊時被推倒或卷入風中兩種模式，構建出了空氣沖擊力的人員傷害模型(Ⅱ)，提出了人員受超壓傷害及沖擊力傷害的計算公