浅谈软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究

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1、太原理工大学博士学位论文软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究姓名：朱涛申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：康立勋20100401太原理工大学博士研究生学位论文软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究摘要我国煤炭储量丰富，厚煤层储量在我国煤炭总储量中约占44%。因此，厚煤层开采技术在很大程度上决定着我国整个煤炭行业技术研究水平的提高和经济效益的发挥。近十几年来，大采高液压支架、采煤机和刮板输送机等配套设备的研制取得了重大突破，促进了大采高综采技术的进步。由于大采高综采具有资源回收率高、采出煤炭含矸率低、工作面

2、生产时煤尘少、瓦斯涌出量小等方面的优点，使其成为在厚煤层开采技术方面迅速发展的新工艺。但是，许多专家和学者通过多年的现场观测和大量的理论研究发现，在类似地质条件下，大采高综采工艺随着工作面煤壁和支架高度的加大，支架－围岩系统的稳定性降低、事故率增加。如果再受到断层、裂隙、节理、褶曲、陷落柱等复杂地质条件及煤质松软且煤层本身为节理、裂隙发育的软弱煤层等因素的影响时，极有可能会使得大采高综采工作面支架－围岩系统的稳定性更差、事故率更高，给煤矿的安全生产带来严重的隐患。深入、系统地研究软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术，不

3、仅能为类似煤层煤矿的设计、开采、安全生产的管理和决策提供科学依据，同时还能够丰富和发展矿山压力及岩层控制理论，所以，此课题的研究具有重要的理论意义和工程实际意义。作为软煤层大采高综采采场围岩控制理论及技术研究的初始阶段，论文以晋城煤业集团赵庄煤矿二叠系下统山西组3号煤层及其顶底板为I太原理工大学博士研究生学位论文主要研究对象，采用现场实测、理论分析、数值模拟计算和工业性试验等方法，对软煤层大采高综采工作面矿山压力显现规律、顶板岩层结构及运动破坏规律、煤壁片帮机理及防治技术、底板损伤破坏、支架－围岩关系以及开采技术保障体系

4、等六个方面做了探索性研究。主要研究成果如下：（1）通过现场实测的方法，揭示了软煤层大采高综采工作面矿山压力显现的基本特征和规律。（2）以“砌体梁”理论为基础，较系统地研究了软煤层大采高综采采场上覆岩层的结构形态、运动破坏规律等方面的内容。构建了软煤层大采高综采采场基本顶岩层的平衡结构模型，分析了基本顶岩层受力和变形的影响因素；提出了在软煤层大采高条件下，基本顶“砌体梁”结构也具有回转变形失稳和滑落失稳两种失稳的可能性，并给出了这两种失稳产生的条件；利用弹性力学变分问题方法对直接顶力学模型进行了求解，得出了直接顶岩层下沉量

5、与基本顶回转角、弹性模量以及液压支架工作阻力的关系。（3）通过对赵庄煤矿3305软煤层大采高综采工作面前方煤体塑性区宽度的数值模拟和理论计算，得出了软煤层大采高综采工作面煤壁的塑性区宽度；分析了软煤层大采高综采工作面煤壁片帮的主要影响因素，提出了防治煤壁片帮的措施。（4）运用弹塑性理论计算出了赵庄煤矿3305软煤层大采高综采工作面前方底板岩层和采空区范围内底板岩层的支承压力；建立了软煤层大采高综采采场底板岩层应力的计算模型，应用Westergard应力函数，对该模型进行了分析计算，得出了在三个边界条件下的采场围岩应力计算

6、公式；根据Coulomb-Mohr准则，通过对平面应力状态下软煤层大采II太原理工大学博士研究生学位论文高综采采场边缘破坏区的分析，得出了平面应力状态下和平面应变状态下软煤层大采高综采采场边缘底板岩层最大破坏深度的计算公式；利用修正后的采场底板岩体极限载荷计算公式和滑移线场理论，建立了软煤层大采高综采采场支承压力所形成的底板屈服破坏深度的计算模型，通过对该模型的分析计算，得出了煤层底板岩层的最大破坏深度、最大破坏深度距离工作面端部的水平距离、采空区内底板岩层沿水平面方向最大破坏长度的计算公式。（5）通过对软煤层大采高综采

7、工作面液压支架工作阻力与顶板下沉量关系的研究，得出了在基本顶给定变形的条件下，软煤层大采高液压支架所承担给定变形的比例小于普通采高液压支架，并给出了液压支架初撑力、工作阻力的确定原则。构建了端面顶板漏、冒的“块体”结构模型，揭示了软煤层大采高综采工作面端面顶板冒、漏的机理，并提出了防治措施。从液压支架的顶梁长度与直接顶的自承极限垮距长度之间的关系出发，对液压支架的顶梁长度、支柱位置与顶板的适应性进行了分析。构建了支架掩护梁的受力模型，利用散体介质力学理论，得出了液压支架掩护梁所受的水平推力和垂直压力的计算公式。（6）针对

8、软煤层大采高综采工作面在复杂地质条件下，顶板破碎较为严重，容易产生漏、冒顶、漏风严重、上隅角瓦斯易超限等不安全隐患，结合赵庄煤矿3305软煤层大采高综采工作面的实际情况，采用现场实践的方法确定了开切眼和撤架通道顶板、两帮的支护加固技术、软煤层大采高综采工作面超前注射玛丽散N型材料加固煤壁技术、预防工作面煤壁片帮、冒顶