大采高采場圍岩控製理論及應用研究

大采高開采技術是厚煤層開采工藝的重要發展方向之一。我國很多礦區賦存有6.0m以下厚煤層。如晉城、潞安、大同、陽泉、邢台、徐州、兗州、阜新以及神府、東勝煤田，在這種煤層條件下，大采高開采是首選的方法。大采高開采資源回收率高，煤炭質量好，能實現高產高效，經濟效益好。但大采高開采有其適用的條件，我國多年的大采高實踐表明，大采高工作麵易發生煤壁片幫，端麵冒頂，支架穩定性事故率高，這些因素影響到大采高工作麵生產潛力的發揮，有很多工作麵采用大采高技術沒有取得好的效果。影響大采高發展的原因是多方麵的，其中，圍岩控製理論不能有效指導大采高生產實踐是主要原因之一。目前尚缺係統的科學的圍岩控製理論。現有的一些研究也是零散的，局部的，不能係統全麵地解釋大采高實踐中出現的種種問題，也沒有完整的一套圍岩控製方案，對大采高適用條件的評價問題研究也不夠深入。因此，大采高開采工藝的快速發展急需圍岩控製理論給予指導。 針對以上問題，本文以大采高覆岩結構及運動規律為中心，深入研究了大采高采場圍岩控製的相關課題，主要包括8個方麵的內容：①大采高采場的覆岩結構及運動規律；②支承壓力分布規律；③大采高工作麵礦壓顯現規律及特點；④支架載荷計算；⑤大采高采場支架圍岩關係；⑥大采高頂板分類；⑦大采高支架橫向穩定性控製；⑧煤壁片幫機理及控製。 (1)大采高采場的覆岩結構及運動規律。采用相似模擬技術研究了寺河礦岩層條件下大采高的采場結構。研究表明，大采高采場直接頂厚度加大，采高5～6m時，直接頂厚度在15m以上，初次來壓前直接頂分層分次垮落。初次來壓後，直接頂厚層分段冒落。大采高仰采時基本頂不能形成鉸接平衡結構。俯采時直接頂懸頂加劇。利用關鍵層理論研究了大采場垮落帶、斷裂帶範圍與采高的關係。研究表明，隨采高的加大，兩帶的範圍擴大。但與采高不是線性關係，與關鍵層位置密切相關，兩帶的高度隨采高的增大呈階梯狀上升，每一平台表示一層關鍵層的控製作用。對基本頂的力學分析表明，靠近采場的傳統意義上的基本頂，在大采高采場極易垮落而變為直接頂，我國現行分類方案中的Ⅰ、Ⅱ級基本頂，采高增大時將變為直接項，直接頂厚度與采高的比值N大於2.9～3.2，采高越大，N值越大。綜合研究國內大量相似模擬實驗結果，揭示了大采高采場覆岩破壞的“梯形台體結構”，並對該結構的變形破壞特征給予分區，共分為六個區。研究了各個區域變形特征及采場圍岩控製的關係。 (2)利用覆岩結構的研究成果，運用數值模擬技術研究了大采高采場前支承壓力分布規律。主要特點是，近煤壁支承壓力峰值低，峰值點距煤壁距離遠，遠離煤壁的支承壓力隨采高的增大而增大，影響範圍遠，支承壓力的分布及大小既與覆岩結構有關，也與煤層厚度及力學特性有關。 (3)大采高工作麵礦壓顯現規律。對國內成功使用大采高開采技術礦壓觀測成果的研究表明，大采高工作麵所需支護強度高，高於按傳統頂板分類推薦的支護強度。動載係數小，支架載荷分布以正態分布為主。大采高支架載荷與頂板類別不明顯，支架初撐力與工作阻力呈線性關係，說明大采高以靜載為主的特點。對不同工作麵的支護阻力研究表明，按照4倍采高岩柱高度加懸項部分岩層重量估算支架載荷與實測值吻合，可作為支護阻力確定的重要方法之一。 (4)支架載荷的計算。利用數值模擬的方法研究大采高直接頂在不同支護阻力時的變形破壞規律。直接頂在下層麵端麵距處產生壓剪破壞，在上層麵產生拉破壞。由於大采高采場直接頂較厚，兩個破壞區域不易貫通，這是頂板控製的有利條件。根據直接頂岩層結構不同，將大采高直接頂劃分為三種類型，從理論上給出了支架載荷的計算原理及計算方法，Ⅰ型、Ⅱ型直接頂按給定載荷法或采高倍數法計算；Ⅲ型直接頂按采高倍數、附加載荷法、衝擊載荷法計算。 (5)支架圍岩關係。大采高圍岩控製的重點是杜絕冒頂、減少片幫，對支架的要求是自身穩定性好。數值模擬表明，提高初撐力可以有效減小初始下沉量，初撐力的大小至少應能平衡直接頂岩體重量，提高工作阻力，減小端麵處的應力集中程度。在中硬頂板情況下，支柱位置應距離煤壁較遠一些，有利於減小應力集中程度。掩護式支架能產生主動及被動指向煤壁的水平力，有利於控製端麵冒頂。利用直接頂自承力原理，研究了大采高采場頂梁合理形式及支柱作用點位置，並對寺河礦開采條件下的支護參數進行了優化。 (6)大采高頂板分類。利用有限的現場實測資料，結合覆岩結構及支架圍岩關係的研究成果，對我國大采高頂板初步分類，大采高頂板以直接頂岩層結構為主要分類指標，共分為三類(三型)，分別為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，分類詳細規定了岩層結構組成，頂板控製重點，給出相應支架選型及可控程度。研究表明，我國的大部分礦井為Ⅰ、Ⅱ型直接頂，除底層為極不穩定的1類項板構成的Ⅱ型直接頂不宜使用大采高開采外，其它類型頂板均可使用大采高開采。這是我國推廣大采高開采的有利條件。Ⅲ型直接項分為三個亞類：Ⅲa不需輔助弱化頂板使用大采高。Ⅲb、Ⅲc需弱化頂板後使用大采高開采。 (7)大采高支架橫向穩定性研究及控製。通過對高架受力狀態的分析，研究了高架的單架翻倒、多架翻倒、單架下滑、多架下滑以及由於支架下滑而發生傾倒的力學原理、影響因素及控製方法。通過實驗室的支架穩定性試驗研究，給出了影響支架失穩的主要因素：重心、支架高度、移架方式、傾角、偏載作用點位置的影響程度及相關關係。防止支架失穩的主要措施有，降低支架重心及四連杆機構重量，裝設底調千斤頂，采用合理的移架方式，適當加大底座寬度及工作麵的科學管理。 (8)煤壁片幫機理及控製。數值模擬表明，隨采高增大，煤壁塑性區有增大趨勢，但幅度不大，影響煤壁片幫的主要因素是煤層中節理裂隙發育及結構麵分布特征。針對煤體不同的裂隙方位研究了對煤壁片幫的影響程度，同時研究了煤體的分層效應對片幫的影響，為易片幫煤體采用化學加固方法提供了理論基礎。應用模糊數學的方法對煤壁穩定性予以分類。