大采高工作面煤壁稳定性及其与支架的相互影响机制研究

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针对大采高综采工作面煤壁片帮率高、且受节理裂隙影响显著,以及煤壁片帮影响大采高支架稳定性,进而影响支架与围岩关系等突出问题,本文综合采用现场调研、理论分析、物理模拟、数值计算、现场工业性试验等研究方法,对受节理裂隙损伤影响的煤壁失稳特征、支架与煤壁相互作用机制及相应控制技术等进行了系统深入的研究,研究成果对于保障大采高综采工作面安全高效开采具有重要理论价值和现实意义。研究了节理裂隙对煤壁的损伤效应和大采高工作面采动应力的分布。研究表明,在硬及中硬煤层条件下,随节理面倾角的增大,煤体的损伤呈现增大-减小-增大的变化趋势;随节理面方位角的增大,煤体的损伤呈现先减小后增大的变化趋势;随节理面间距的增大,煤体的损伤呈现减小的变化趋势。根据采高对煤壁支撑能力的影响分析,提出了弱化系数的概念,以表征采高对煤壁支撑能力的弱化效应。大采高工作面极限平衡区内支承压力与采高及煤体的损伤程度成反比的关系,与松软煤体的力学参数(E、C)成正比的关系。基于节理裂隙的损伤及采动应力的分布规律,分析了节理裂隙扩展演化规律和大采高工作面煤壁位移及变形失稳区域分布特征的时空演化规律。煤层内节理裂隙的扩展贯通的形态、尺寸及密度主要受原生节理面产状的影响,煤壁的变形破坏特征则是节理裂隙扩展演化的宏观表现。在硬及中硬煤层条件下,当节理面倾角为90°时,煤壁稳定性主要受工作面来压的影响;当节理面与工作面存在交线时,工作面易片帮区域均位于交线附近,该区域与交线的相对位置主要受节理面倾角和方位角的影响。节理面间距越小,使得煤壁破碎单元越小,易片帮区域的范围越大,煤壁的稳定性越差。在松软煤层条件下,工作面易片帮区域多位于煤壁中部,煤体的物理力学参数越小,煤壁越易失稳。自主设计研制了用于大采高综采工作面支架与围岩相互作用关系研究的模拟支架及液压控制系统,实验得到了支架初撑力对大采高工作面煤壁失稳的影响规律,煤壁失稳和顶板活动对支架位态及承载特征的影响规律。实验得到了不同节理面倾角条件下,支架初撑力与煤壁稳定性的“P0—ΔB”曲线均呈类双曲线关系。大采高条件下,煤壁片帮、端面冒顶与支架不良位态的相互影响程度更加明显。基于基本顶“给定变形”及“给定载荷”的作用方式,建立了大采高工作面支架-顶板-煤壁相互影响关系的力学模型,揭示了三者的相互作用机制。大采高工作面支架支护强度及直接顶下沉量均随煤壁片帮深度和基本顶回转角的增大近似呈线性增加,直接顶下沉量及煤壁片帮深度与支架支护强度近似呈类双曲线关系,煤壁片帮深度随基本顶回转角度的增大而逐渐增大,极限片帮深度趋向于基本顶断裂线至煤壁的距离。基于大采高工作面煤壁及支架稳定性的相互影响规律,提出了相应的控制技术措施,并进行了工业性试验,取得了显著的技术效果。采用超前深孔静压预注水技术,使得极软大采高工作面煤壁的稳定性得到了有效改善,发生片帮的频率降低了80%,平均片帮深度减小了35%,平均片帮长度减小了50%。采用超前松动爆破强制放顶技术,确保了坚硬顶板大采高工作面支架的稳定性,工作面煤壁片帮频率及程度大幅度降低。
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