大采高工作面煤壁穩(wěn)定性及其與支架的相互影響機(jī)制研究.pdf

1、針對(duì)大采高綜采工作面煤壁片幫率高、且受節(jié)理裂隙影響顯著，以及煤壁片幫影響大采高支架穩(wěn)定性，進(jìn)而影響支架與圍巖關(guān)系等突出問(wèn)題，本文綜合采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、物理模擬、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)等研究方法，對(duì)受節(jié)理裂隙損傷影響的煤壁失穩(wěn)特征、支架與煤壁相互作用機(jī)制及相應(yīng)控制技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，研究成果對(duì)于保障大采高綜采工作面安全高效開(kāi)采具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　研究了節(jié)理裂隙對(duì)煤壁的損傷效應(yīng)和大采高工作面采動(dòng)應(yīng)力的分布

2、。研究表明，在硬及中硬煤層條件下，隨節(jié)理面傾角的增大，煤體的損傷呈現(xiàn)增大-減小-增大的變化趨勢(shì)；隨節(jié)理面方位角的增大，煤體的損傷呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)；隨節(jié)理面間距的增大，煤體的損傷呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)。根據(jù)采高對(duì)煤壁支撐能力的影響分析，提出了弱化系數(shù)的概念，以表征采高對(duì)煤壁支撐能力的弱化效應(yīng)。大采高工作面極限平衡區(qū)內(nèi)支承壓力與采高及煤體的損傷程度成反比的關(guān)系，與松軟煤體的力學(xué)參數(shù)（E、C）成正比的關(guān)系。
　　基于節(jié)理裂隙的損傷

3、及采動(dòng)應(yīng)力的分布規(guī)律，分析了節(jié)理裂隙擴(kuò)展演化規(guī)律和大采高工作面煤壁位移及變形失穩(wěn)區(qū)域分布特征的時(shí)空演化規(guī)律。煤層內(nèi)節(jié)理裂隙的擴(kuò)展貫通的形態(tài)、尺寸及密度主要受原生節(jié)理面產(chǎn)狀的影響，煤壁的變形破壞特征則是節(jié)理裂隙擴(kuò)展演化的宏觀表現(xiàn)。在硬及中硬煤層條件下，當(dāng)節(jié)理面傾角為90°時(shí)，煤壁穩(wěn)定性主要受工作面來(lái)壓的影響；當(dāng)節(jié)理面與工作面存在交線時(shí)，工作面易片幫區(qū)域均位于交線附近，該區(qū)域與交線的相對(duì)位置主要受節(jié)理面傾角和方位角的影響。節(jié)理面間距越小，使

4、得煤壁破碎單元越小，易片幫區(qū)域的范圍越大，煤壁的穩(wěn)定性越差。在松軟煤層條件下，工作面易片幫區(qū)域多位于煤壁中部，煤體的物理力學(xué)參數(shù)越小，煤壁越易失穩(wěn)。
　　自主設(shè)計(jì)研制了用于大采高綜采工作面支架與圍巖相互作用關(guān)系研究的模擬支架及液壓控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)得到了支架初撐力對(duì)大采高工作面煤壁失穩(wěn)的影響規(guī)律，煤壁失穩(wěn)和頂板活動(dòng)對(duì)支架位態(tài)及承載特征的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)得到了不同節(jié)理面傾角條件下，支架初撐力與煤壁穩(wěn)定性的“P0—ΔB”曲線均呈類雙曲線關(guān)系

5、。大采高條件下，煤壁片幫、端面冒頂與支架不良位態(tài)的相互影響程度更加明顯。
　　基于基本頂“給定變形”及“給定載荷”的作用方式，建立了大采高工作面支架-頂板-煤壁相互影響關(guān)系的力學(xué)模型，揭示了三者的相互作用機(jī)制。大采高工作面支架支護(hù)強(qiáng)度及直接頂下沉量均隨煤壁片幫深度和基本頂回轉(zhuǎn)角的增大近似呈線性增加，直接頂下沉量及煤壁片幫深度與支架支護(hù)強(qiáng)度近似呈類雙曲線關(guān)系，煤壁片幫深度隨基本頂回轉(zhuǎn)角度的增大而逐漸增大，極限片幫深度趨向于基本頂斷裂

6、線至煤壁的距離。
　　基于大采高工作面煤壁及支架穩(wěn)定性的相互影響規(guī)律，提出了相應(yīng)的控制技術(shù)措施，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，取得了顯著的技術(shù)效果。采用超前深孔靜壓預(yù)注水技術(shù)，使得極軟大采高工作面煤壁的穩(wěn)定性得到了有效改善，發(fā)生片幫的頻率降低了80％，平均片幫深度減小了35%，平均片幫長(zhǎng)度減小了50%。采用超前松動(dòng)爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)，確保了堅(jiān)硬頂板大采高工作面支架的穩(wěn)定性，工作面煤壁片幫頻率及程度大幅度降低。
　　該論文有圖164幅，表