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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

王国法团队建立煤壁片帮拉裂-滑移模型

2017-08-31

  对于坚硬厚煤层大采高综采工作面,煤体发生拉裂破坏只是煤壁片帮的必要非充分条件,煤壁最终是否发生片帮,取决于拉裂破坏体在液压支架与矿山压力作用下是否发生滑移失稳。液压支架很难抑制煤壁发生拉裂破坏,但可以有效防止拉裂破坏体发生滑移失稳。


  这是王国法团队在近期发表的《基于煤壁“ 拉裂-滑移” 力学模型的支架护帮结构分析》一文中,提出的观点。庞义辉博士研究生为论文第一作者。


  矿层采出后,采空区顶板岩层内出现悬空,其压力便转移到煤壁上,煤壁承受的压力增加,形成增压区,煤壁在附加荷载的作用下,一部分煤被压碎,并挤向采空区,这种现象称为片帮。


  片帮,指矿井作业面、巷道侧壁在矿山压力作用下变形,破坏而脱落的现象。冒顶是顶板失控而自行冒落的现象。二者常同时发生。


  我国大采高综采工作面最大一次割煤高度已经达到8. 0 m,随着采高的逐渐增大,煤壁片帮冒顶已经成为制约大采高综采技术发展的主要技术瓶颈。


  虽然前人的许多研究成果已经比较系统的分析了煤壁发生破坏的力学机理,为大采高工作面煤壁片帮防治提供了理论依据。然而大量的井下现场观测发现,很多时候工作面煤壁已经发生了肉眼可见的明显破坏,但破坏的煤体在矿山压力与液压支架支护作用力下并未发生掉落,因此破坏的煤体实际并未发生煤壁片帮。


工作面煤壁的应力路径


  研究人员以我国西部矿区坚硬、厚煤层大采高综采实践为基础,发现工作面煤壁的应力路径呈现螺旋上升状,距离工作面煤壁越近,其主应力点越发散,导致煤壁更易发生破坏,进而诱发煤壁片帮冒顶事故。


  由于工作面前方煤体发生破坏只是煤壁发生片帮的必要非充分条件,因此,研究人员将坚硬、厚煤层大采高综采工作面的煤壁片帮过程细分为“拉裂破坏”与“滑移失稳”两个阶段,并分别进行了分析,得出了煤壁的拉裂破坏深度、宽度与煤体强度、开采高度的关系及液压支架应具有的“临界护帮力”。


  为了更好地支护,研究人员指出,液压支架伸缩梁与护帮板分体结构设计较伸缩梁与护帮板铰接一体结构设计具有更高的煤壁支护作用力、更合理的护帮合力作用位置及更好的结构强度与可靠性,但存在有效护帮面积较小的劣势。


  拓展阅读


  方新秋等通过分析软煤大采高工作面煤壁的变形—破裂—破坏—片帮过程,建立了液压支架-围岩的结构力学模型,得出了煤壁片帮的临界稳定高度。


  王家臣等采用安全余量法建立了煤壁片帮的简化力学模型,分析了煤壁承受的顶板压力与液压支架工作阻力的关系,得出了煤壁发生剪切破坏的力学准则。


  袁永等将煤壁片帮体视为“楔形”滑移体,通过分析“楔形”滑移体的“V”字形破坏剖面,得出了煤壁片帮的稳定系数。


  杨培举等采用滑移线理论分析了厚煤层大采高工作面煤壁失稳的力学过程,确定了煤壁片帮的主要影响范围及端面距对煤壁失稳的影响。


  宁宇等分析了节理裂隙岩体的尺度效应,通过建立煤壁片帮的压杆理论力学模型,得出了最易发生煤壁片帮的位置为距离底板0. 65倍的采高处。


  黄庆享等将煤壁视为长柱条体,通过建立煤壁片帮的柱条理论力学模型,得出了煤壁最易发生片帮的位置。


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  责任编辑:宫在芹
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