大采高综采技术是厚煤层安全高效高采出率开采的重要发展方向,随着采高向6.0～7.0 m发展,采场煤壁片帮、冒顶、压架、支架失稳发生率高,且控制困难,已成为制约该技术推广应用的瓶颈。针对上述难题及采场片帮、冒顶、压架和支架失稳间互馈联动性强的特征,以6.0 m左右大采高综采采场为研究对象,采用理论分析、数值模拟、物理模拟、仿真试验及现场实测等手段,对大采高综采采场支架-围岩稳定控制机理进行了系统研究,得到了如下研究成果:(1)研究了大采高综采采场覆岩结构特征与支架合理承载。根据直接顶厚硬岩层对覆岩垮落具有重要影响的特点,提出了大采高综采采场直接顶关键层的概念与确定方法,分析了其对覆岩垮落特征和超前支承压力分布的影响规律;依据有无直接顶关键层对直接顶分类并计算支架工作阻力:Ⅰ类无直接顶关键层条件按4～8倍采高岩柱质量计算支架工作阻力,Ⅱ类有直接顶关键层条件支架工作阻力计算需考虑直接顶关键层厚度、强度与层位的影响。(2)研究了大采高综采支架的稳定控制机理。分析了基于失稳临界角的支架下滑、倾倒与尾部受扭的力学特征;采用敏感性分析方法对大采高综采采场支架稳定性进行控制,增强了支架稳定控制的针对性和有效性;提出了端部底煤留设的新方式,实现了端部底煤回收与提高端部倾斜支架组稳定性的统一。(3)研究了高帮煤壁片帮机理与防治技术。煤壁片帮是一个由微观裂隙发育到宏观"楔形"滑动体失稳的过程,采用损伤力学理论,通过建立煤壁损伤变量与裂隙发育程度的联系,揭示了煤壁片帮的微观机理;基于高帮煤壁片帮特征实测,建立煤壁"楔形"滑动体稳定性分析的三维力学模型,揭示了煤壁片帮的宏观机理,分析了影响其稳定性的主要因素,提出了高帮煤壁片帮防治技术。(4)将煤壁稳定控制纳入采场支架-围岩控制体系中,提出了支架等效支护阻力和等效护帮力的概念与计算方法,揭示了大采高综采采场"煤壁-顶板-底板"空间围岩运动与支架工作状态之间的相互作用机理。(5)采用系统动力学方法研究采场支架-围岩相互作用关系,初步建立了大采高综采采场"W-R-F-S"系统的SD模型,通过Vensim软件的仿真模拟,定量描述了不同控制策略条件下"W-R-F-S"系统的稳定性。(6)上述研究成果在淮北矿业集团许疃煤矿7219工作面及阳煤集团寺家庄煤矿15104工作面得到应用和验证,并现场实测了典型大采高综采采场的来压规律、煤壁片帮特征及支架-围岩相互作用关系。

国家自然科学基金资助项目(51074164,51004102)；江苏省“青蓝工程”资助项目；江苏省高校优势学科建设项目；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助项目(SKLCRSM09X02)；江苏省普通高校研究生科技创新计划项目(CX09B-120Z)；