浅埋煤层长壁开采顶板致灾机理及其控制研究

来源 :中国煤炭科学研究总院 煤炭科学研究总院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ruoxich
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浅埋煤层普遍赋存于我国西部的内蒙、陕西、山西、新疆等地区,这类煤层赋存储量巨大,开采条件优越。但在浅埋煤层的开采中,工作面顶板沿煤壁的切落下沉常引起压架事故。虽然液压支架支护阻力与强度已不断增大,却仍未从根本上解决浅埋深采场切顶压架,这表明单纯靠提高支架支护强度并不是科学有效的方法。  鉴于此,论文基于浅埋煤层开采技术条件,采用理论分析、力学解析、数值模拟、相似材料模拟、现场实测等综合研究方法,针对浅埋深条件下覆岩结构形式及力学特征开展研究,分析顶板切落断裂致灾机理,研究提出浅埋深工作面顶板控制技术原则,提出切顶灾害综合控制技术。  论文的主要研究内容与成果如下:  (1)浅埋煤层长壁开采条件下,围岩应力场中形成“承压拱”应力承载结构,该结构随着工作面推进不断发展变化,直至基岩层全部断裂后发生失稳;结合承压拱结构的力学特性,以承压拱上所有截面的弯矩等于零为依据,建立承压拱力学结构模型,分析其在覆岩中的形态、位置参数,并得到其在极限状态下的高度及跨度计算方式;提出承压拱的在覆岩中是以悬臂梁的力学形式存在。  (2)浅埋煤层长壁开采条件下,覆岩破断形成“悬臂梁—铰接岩梁”组合岩层结构;其中,“悬臂梁”结构主要承担其自身及覆盖松散层载荷,其断裂步距大于“铰接岩梁”失稳步距;“铰接岩梁”结构主要承担其自身及“悬臂梁”下方软弱岩层载荷,其失稳载荷通过直接顶作用于工作面支架上。  (3)基于对浅埋深长壁采场覆岩“悬臂梁—铰接岩梁”组合岩层结构的力学支撑系统稳定分析,研究得出“悬臂梁”断裂形成的基岩层整体下沉,使铰接岩梁结构在煤壁处发生滑落失稳是浅埋深条件下顶板切顶灾害发生的机理。  (4)基于浅埋深长壁采场顶板切顶致灾机理研究成果,提出浅埋煤层长壁开采条件下的工作面切顶灾害控制原则:第一,尽量减缓基岩层整体切落下沉给工作面造成的载荷;第二,提高工作面支护能力,确保“铰接岩梁”结构在回采期间的稳定;第三,保持工作面合理较快推进速度,控制“悬臂梁”结构断裂与工作面的相对位置。  (5)结合多起浅埋深切顶压架案例,研究提出包括采取顶板弱化技术控制断裂步距、工作面调斜缩减载荷作用范围、提高工作面支护能力、保持合理较快推进速度等的顶板灾害综合控制技术。  (6)基于多个典型浅埋深工作面现场实测数据类比分析,归纳总结出浅埋深条件下工作面支架合理支护强度和合理推进速度的参考值。
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