淺埋煤層頂板結構理論與支護對策

淺埋煤層頂板結構理論與支護對策

應用行業：礦山

技術領域：巷道支護

任務來源：

陝西省自然科學基金（98D02）

煤炭科學基金（91西礦采058）

煤炭青年基金（96-08）

神東煤炭公司委托係列項目

獲獎情況：

中國高校自然科學一等獎：“岩層控製的關鍵層理論”子課題

陝西省科學技術進步三等獎

陝西省自然科學優秀 論文獎

陝西省教育委員會 科技進步二等獎

Ø 主要內容

1. 通過不同條件的淺埋煤層采場來壓規律的實測研究，掌握了不同頂板條件、支護條件、不同推進速度時的頂板來壓規律，提供理論研究和反饋驗證的實際數據；

2. 通過不同條件下淺埋煤層開采過程相似材料模擬實驗研究，掌握頂板岩層的破斷運動機理，揭示了頂板結構的形態；

3. 通過實驗與實測結果的耦合 03manbetx ，建立采場初次來壓和周期來壓的頂板結構力學模型；

4. 研究老頂岩塊端角擠壓和端角摩擦性質，確定頂板結構穩定性定量 03manbetx 關鍵參數—岩塊結構端角擠壓係數叮和端角磨察係數tanф；

5. 建立頂板結構“R—S”穩定性準則，實現了頂板結構理論由定性 03manbetx 向定量 03manbetx 的轉化；

6. 根據頂板結構理論，建立頂板控製的“支架一圍岩”作用關係，確定支架支護阻力的工作狀態，確定頂板來壓載荷和合理支護阻力參數的計算公式；

7. 根據頂板結構穩定性和支護阻力確定的影響因素分析，得出頂板控製的原則和途徑。應用頂板結構理論研究成果，指導頂板控製實踐，進一步觀測控製效果，修正理論，驗證理論的正確性。

總體上，通過係統研究提出了淺埋煤層的科學概念，得出了預計來壓步距的計算公式，創造性地建立了淺埋煤層初次來壓和周期來壓的頂板結構力學模型，通過老頂岩塊端角擠壓和端角摩擦的非標實驗，實現了頂板結構理論由定性分析向定量分析的轉化，形成了淺埋煤層頂板來壓全過程的分析與控製理論體係。

課題經過查新和專家綜合評議，研究達到處於國內領先和國際先進水平。

Ø 技術要點

1. 基於不同類型的淺埋煤層工作麵實測，采用關鍵層理論和基載比，首次定量性地提出了岩層控製意義上的淺埋煤層概念，使頂板控製類型的劃分有了科學的依據。

2. 首次通過非 標準岩樣實驗、仿真物理和數值模擬實驗技術，係統地確定了頂板控製定量化分析的關鍵參數—老頂岩塊的端角擠壓係數n和端角摩擦係數tanф，也推動了岩體結構理論分析的定量化發展。

3. 采用考慮分步開挖損傷積累的模擬技術，提出了初次來壓的非對稱破斷現象，並確定了非對稱比為1：1.5，從而提出了采場老頂初次來壓的幾何非線性動態“非對稱三鉸拱結構模型”，填補了國內采場初次來壓結構模型的空白。

4. 創造性地建立了淺埋煤層老頂周期來壓的“台階岩梁”結構力學模型。初次來壓和周期來壓結構模型的建立，揭示了頂板來壓災害的機理及其控製途徑，總體上創立了淺埋煤層頂板控製的理論體係。

5. 建立了頂板結構分析的“R—S”穩定性準則，確定了支架工作的“給定失穩載荷”狀態，突破了傳統認識。

6. 開創了應用頂板結構理論進行頂板控製定量分析的先例。

Ø 應用情況及前景

研究成果在神府礦區應用，99年成功控製了頂板台階下沉，年增產400萬噸，創經濟效益2.8億元。1999～2000年成果還在中美合資南梁 煤礦和印度PV 煤礦淺埋煤層開采論證中得到應用。預期研究成果可在我國西部黃陵、榆神、彬長、土哈西部煤田的淺部煤層開采中推廣應用。此外，研究成果可為地表塌陷及水土流失控製和礦區地麵環境保護提供理論基礎。研究成果的推廣應用對西部開發具有重要意義。

此外，在西部正開發的黃陵、榆神、彬長等西部煤田的初期主要開采淺部煤層，應用領域廣闊，應用價值突出，影響麵大。

神府東勝礦區的礦區型地表荒漠化問題己引起國家關注，被確定為重點治理區域，此類地表治理與地下開采緊密相關，頂板岩層破壞規律與控製的研究將對於地表生態重建、再造一個山川秀美的大西北發揮積極作用，課題具有廣泛的應用前景。