我国经济和社会的高速发展离不开能源供给,煤炭作为我国能源供给的重要支撑,发挥着举足轻重的作用。我国富源辽阔,煤炭储量巨大,尤其在神府东胜煤田和新疆地区,煤炭储量丰富,其中神府东胜煤田开发技术成熟,产能稳定,煤层赋存条件好,成为我国煤炭供应的最重要产区。随着煤炭开采装备和技术的不断发展,现阶段已达到世界领先水平,8.8m综采工作面的投产代表了我国煤炭开采的最高水平。由于8.8m特厚煤层开采过程中会伴随着煤层厚度差异性较大、地质结构复杂多变,在开采过程中尚存在以下几方面技术问题亟待解决:(1)采场地下空间大,顶板控制难度增加,工作面来压后顶板存在较大冒顶安全隐患;(2)围岩破坏失稳机理不清楚,覆岩运动过程、高帮煤壁片帮破坏机理和围岩控制原则等需进行深入研究;(3)开采过程中采场岩层运动与采动应力动态演化过程尚未掌握;(4)应对特殊条件下的超大采场围岩控制技术不成熟,尚未提出一套完善的切实可行的适用于大采高超大采场围岩控制的方法。针对前述问题,本文以实体工程作为依托,采用室内物理力学实验、相似模拟实验、数值模拟计算和现场实测等研究方法,对覆岩破断规律、“三带”发育特征、薄基岩顶板结构及其稳定性、超高煤壁破坏特征及其内在机理、液压支架选型方法和新型支架研制等方面进行了研究,为8.8m大采高超大采场覆岩破断规律与围岩控制提供可靠的技术支撑,为类似条件浅埋特厚煤层一次采全高安全高效开采提供示范。取得主要研究成果如下:(1)通过对8.8m大采高超大采场进行现场观测和分析研究,得出了工作面初次来压步距为45m,平均周期来压步距为12.1m;受采动影响后覆岩发育特征分别为冒落带发育高度48m,为采高的5.45倍,裂隙带发育高度108m,为采高的12.27倍,工作面推进期间,基岩较薄处覆岩只存在冒落带和裂隙带,弯曲下沉带随着基岩厚度的变化而改变;工作面每推进80～100m,地表会出现相对较大的裂缝,靠近两顺槽位置裂缝宽度变窄,地表对应工作面上下顺槽为台阶裂缝,裂缝宽度一般不超过20cm,台阶落差不超过30cm。(2)建立了大采高超大采场顶板结构力学模型,得到了顶板滑落式失稳和回旋式失稳的发生条件,分析了液压支架控顶距大小对顶板失稳的影响情况,当控顶距离较大时发生自由落体式失稳,否则发生回旋式失稳;针对两种失稳模式,提出了不同失稳模式下顶板动载冲击力确定方法,研制了ZY26000/40/88D型液压支架,实现了大采高采场顶板稳定性控制;通过对浅埋煤层高帮煤壁破坏机理和煤壁稳定性进行分析,构建了考虑支架刚度和护帮结构的煤壁稳定性分析力学模型,当浅埋采场高帮煤壁内出现拉应力时,其值随着煤壁高度的增加而增大,最终煤壁发生脆性拉伸破坏,解释了8.8m大采高综采工作面采场煤壁抛掷型破坏发生机理。(3)通过相似模拟实验和数值模拟,揭示了8.8m大采高综采工作面推进过程中顶板破断规律、岩层移动和地表下沉特征,在模拟工作面的回采过程中,基本顶的初次来压步距为54m,周期来压步距为13～30m,主关键层的初次破断距79m;建立了数值模拟模型,揭示了采场应力分布和演化特征、顶板冒落特征、覆岩移动特征、地表下沉特征等,研究发现随着工作面推进,工作面前方煤层中的最大和最小主应力均发生应力集中现象,应力集中程度随着工作面推进范围的增加而增大,得到了覆岩移动和地表沉降随工作面推进的演化规律。(4)根据所提出的不同失稳模式下顶板动载冲击力确定方法,对顶板压力进行了计算,得出了工作面约有10%的支架在来压期间具有压架风险,提出了8.8m大采高工作面矿压预测预报方法和围岩稳定性控制方法,并采用三维激光测量系统对煤壁治理效果进行了实测,治理后煤壁破坏裂隙明显减少,煤壁稳定性得到有效提高。

               
                    摘要
abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 大采高工作面覆岩破断规律研究现状
1.2.2 大采高工作面顶板控制理论研究现状
1.2.3 大采高工作面煤壁稳定性控制研究现状
1.3 存在的问题
1.4 研究内容及方法
1.4.1 研究内容
1.4.2 研究方法
1.5 技术路线
2 浅埋8.8m大采高采场矿压显现特征
2.1 工作面开采条件
2.1.1 工程地质条件
2.1.2 工作面及设备参数
2.1.3 工作面煤岩力学性质
2.2 顶板压力分布特征
2.3 高帮煤壁破坏特征
2.4 微震事件分布特征
2.5 覆岩三带发育特征
2.6 地表沉陷与裂隙发育特征
2.7 本章小结
3 浅埋8.8m大采高采场围岩破坏失稳机理
3.1 薄基岩的定义
3.2 覆岩结构运动过程及稳定性分析
3.2.1 关键块回转过程
3.2.2 关键块稳定性分析
3.3 支架阻力的确定
3.4 支架阻力的工作面长度效应
3.5 浅埋煤层高帮煤壁破坏机理
3.5.1 煤壁简化力学模型
3.5.2 煤壁拉伸破坏条件
3.5.3 煤壁结构屈曲失稳条件
3.6 采高对煤壁稳定的影响
3.6.1 煤壁破坏范围确定
3.6.2 煤壁稳定性敏感性分析
3.6.3 采高效应室内实验验证
3.7 浅埋大采高工作面围岩控制原则
3.7.1 缓解煤壁载荷
3.7.2 降低煤壁集中力
3.8 大采高采场液压支架选型原则
3.9 本章小结
4 浅埋8.8m大采高采场岩层运动与采动应力动态演化过程
4.1 相似材料选取和模型设计
4.2 相似材料实验模型铺设
4.3 物理模拟实验结果分析
4.4 数值模型建立
4.5 数值模拟结果分析
4.5.1 采动应力分布和演化特征
4.5.2 覆岩移动特征
4.5.3 覆岩冒落特征
4.5.4 地表下沉特征
4.6 本章小结
5 浅埋8.8m大采高采场围岩控制方法与应用
5.1 煤壁稳定性控制
5.2 顶板稳定性控制
5.2.1 支架适应性分析
5.2.2 采场来压预测方法
5.3 回撤期间巷道围岩稳定性分析
5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 主要结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢
作者简介