坚硬顶板大采场围岩控制技术研究

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在煤矿开采过程中,煤层上的坚硬顶板是造成煤矿事故的主要灾害之一。坚硬顶板会导致悬顶面积很大,突然冒落带来的冲击动压对井下设备和工作人员造成危害,给煤矿安全生产带来极大的隐患。本文以15202工作面为工程背景,在详细分析和总结前人已有研究成果的基础上,采用现场实测、理论分析和数值模拟相结合的手段,研究了大采高开采的采场矿压特征。  本研究主要内容包括:⑴通过针对大采高坚硬顶板所建立的“梁”和“板”力学模型进行分析比较,确定关岭山煤业15#煤层采用“梁”的力学模型进行计算。⑵通过力学分析建立了两端固支梁力学模型,在“梁”的力学模型的基础上,并在考虑了煤岩体物理力学性质非均匀性的情况下,计算得到了顶板初次来压步距为41.81m;建立了悬臂梁力学模型,在“梁”的力学模型的基础上,并在考虑了煤岩体物理力学性质非均匀性的情况下,计算得到了顶板周期来压步距为19.47m。⑶对坚硬顶板覆岩破断规律进行力学分析,分析表明:大块度的作为直接顶关键层的坚硬顶板在破断后并不是整体作用在支架上的。由于其长度通常较大,重心通常位于支架后方,导致破断岩块发生回转运动。破断岩块的回转运动导致其与前次破断的、垮落在采空区的岩块形成咬合,咬合形成了岩块间的摩擦阻力降低了支架实际所需承担的载荷。⑷力学分析表明,对于坚硬顶板大采高采场,除了直接顶层位存在“关键层”外,在直接顶上覆岩层中存在坚硬的岩层,即“主关键层”。该岩层破断后能够形成结构,对其上覆岩层进行控制。力学计算可得,在考虑备用系数的情况下每延米阻力为RH=4821.4KN/m,每架支架支架载荷为8437.44KN。⑸数值模拟可得顶板初次来压步距为35.91m,周期来压步距为15.86m,数值模拟结果与理论计算的周期来压有一定的差距。分析可以看出,由于模拟软件考虑了煤岩体非均匀性和实验室测定煤岩体参数相对现场的差异导致模拟所得的破断步距相对较小,但却是合理的。⑹矿压观测结果表明支架载荷实测统计估算结果为8664.09KN~8715.37KN,综采工作面选用的支架为ZZ8800/25/50,能够满足工作面对顶板控制的要求。15202工作面支架的初撑力利用率较好,能够满足工作面对顶板的控制要求。工作面前方煤壁总体压力较小,影响范围较小,15202工作面顺槽超前支护长度为20m,能够满足工作面安全生产的要求。初撑力均值在工作面中部最大,上部和下部次之,中上部和中下部最小。循环末阻力均值与时间加权平均工作阻力均值沿工作面变化趋势相同,表现为工作面中部架阻力最大,两侧支架阻力向两边递减。支架来压时平均阻力、来压时最大阻力、非来压时平均阻力的均值沿工作面具有相同的变化趋势,表现为中部架阻力最大,两侧支架阻力向两边递减。
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