1、第二部分大采高工作面顶板破断结构与支护方法研究摘要 应用岩石破裂过程分析系统(SFPA2D),对开采厚煤层引起的覆岩顶板破断动态过程进行了数值模拟研究,得出了分步开挖的覆岩弹模与剪应力分布图、地表下沉位移图和煤层顶板应力分布图。通过对模拟结果的分析,揭示了厚煤层开采过程中覆岩破坏的冒落带、裂隙带、弯曲带及矿压分布、地表变形的基本规律。实例模拟得出的结论与实际观测结果基本吻合。为了确保大采高综采工作面支架选型的安全性，根据大采高综采工作面支架呈现以静载荷为主的特点，建立了大采高综采支架受静载荷的工作阻力计算力学模型，并应用于现场大采高综采支架选型的安全性分析。大采高综采工作面支架工作阻力随工作面
2、推进距离变化规律的现场监测表明: 以 4 倍采高覆岩重量计算的静载荷工作面支架工作阻力能够控制大采高覆岩运动的矿压显现，满足工作面支架选型的可靠性，保证大采高工作面的安全高效开采。最后，通过采取一定的技术措施来弥补 2-504 大采高综采工作面选型支架额定工作阻力不足的安全隐患，以期实现大采高综采工作面的安全高效开采。关键词：大采高；综采工作面；顶板破断；支架支护阻力；顶板控制ABSTRACT In this paper, the numerical simulation of the process of the overlying roof stratum braking cased by
3、 excavating the thick coal seam is carried out by the use of the Strata Failure Process Analysis programme (SFPA2D), the elastic modulus and shear stress distribution patterns, the displacement curves of ground surface subsidence and the stress distribution in the roof stratum of coal seam for step-
4、by-step excavation are gotten out. Through analyses of the results obtained from the numerical simulation, the caving, fracturing and bending zones in overlying stratum failing, and the basic laws of coal seam pressure distribution and ground surface deformation during excavating thick coal seam hav
5、e being revealed. The values of ground surface subsidence obtained from the example numerical simulation approach to the measured ones extremely.In order to guarantee the reliability of hydraulic support selection in fully-mechanized workface with large mining height,based on the characteristic of s
6、tatic load distribution acting on the hydraulic support in fully-mechanized workface with large mining height,a computational mechanics model for working resistance of hydraulic support with static load in fully-mechanized workface with large mining height was established,and the model was applied i
7、n the safety analysis of on-site hydraulic support selection in fully-mechanized workface advanced distance indicated that the working resistance of hydraulic support under the overlying strata in fully-mechanized workface with large mining height,which could meet the reliability of hydraulic suppor
8、t selection and ensure the safety and high efficiency mining in fully-mechanized workface with large mining height.finally,by taking certain technical measures to make up the hidden danger of the inadequate working resistance of hydraulic support,the safety and high efficiency mining in 2-504 fully-
9、mechanized workface with large mining height was realized.Key words: large mining height;fully mechanized workface;overlying strate breaking;hydraulic support selection;stent support resistance1 绪论1.1 课题来源及研究意义 煤炭是中国的基础能源，2012 年我国煤炭产量达 36.6 亿 t，占我国一次能源需求量的 70，我国能源工业对煤炭的依赖十分强烈。目前已查明煤炭资源储量约 11598108 t
10、 1。陕北侏罗纪煤田是我国探明的最大煤田，含煤面积达 27140 km2，全区总储量为 2400亿 t，已探明资源量为 1400 亿 t，约占全国保有量的 14。因此，对地下煤炭资源的开采是一项长期而艰巨的任务。随着国家对新能源的开发利用，煤炭消耗比例将有所下降，据有关资料分析，在近几年能源生产、消费总量的构成中，煤炭的比重占 70%左右。但是每年总量消耗成直线增加。据专家陈清泰等的预测，2020 年煤炭消费比例将会控制在 60%左右2。其中煤炭总产量 2008 年为 27.16108t，专家预测，2010 年、2015 年、2020 年将会分别达到29108t 、33108t 、35108t
11、 。煤炭在我国未来一次能源消费中仍会占主导地位，2050年，煤炭在我国一次能源消费结构中的比例也不会低于 35% 3。因此，我国未来经济发展的动力仍然脱离不了煤炭工业强有力的支持，在我国，煤炭工业将会是 21 世纪能源工业的主力军。在我国煤炭总储量中，厚煤层储量约占 44%，其产量比重约占原煤产量的 45%左右。目前很多矿区赋存煤层厚度大于 3.5m，如内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林和铜川、河北邢台和开滦、江苏徐州、山东兖州、安徽淮北、辽宁阜新、黑龙江双鸭山、河南义马、山西西山、大同、潞安、晋城和阳泉等矿区4-6。 大采高工作面一般采用综合机械化采煤。很多专家和学者通过多年的现场观测和大量的理论研究
12、发现，在类似地质条件下，大采高综采工艺随132着工作面煤壁和液压支架高度的加大，顶板结构和支架的稳定性变差，支架压死及破坏的情况经常发生，事故率高达19%以上，远高于一般采高的综采工作面7,8。因此，研究大采高综采工作面顶板破断结构机理，进行支架的合理选型，提出有效的顶板控制技术，对于大采高综采工作面的安全高效生产具有重要的理论意义和实践价值。1.2 国内外研究现状1.2.1 大采高工作面顶板破断结构的研究现状1916年，德国人K.Stock提出悬臂梁假说，得到了英国的I.Friend、前苏联的格尔曼的支持。1928年德国人WHack和GGilicer提出了压力拱假说。50年代初，前苏联人库兹
13、涅佐夫出了铰接岩块假说，比利时学者 A.拉巴斯提出了预成裂隙假说9,10。我国宋振骐院士提出了“传递岩梁”理论11,12。随后国内众多学者根据不同煤层条件下的开采实践，提出了并丰富了采动引起采场上覆岩层运动规律的理论。石平五教授针对一些矿山压力问题(1984年)提出能量原理13，靳钟铭教授（1994年）提出了坚硬顶板的采场“悬梁结构”14，贾喜荣教授（1997年）提出了采场“薄板矿压理论”15。这些基础理论是研究大采高综采工作面采场顶板岩层的运动规律和采场压力显现规律的基石。许家林教授等16,17通过对我国首个7.0m 大采高综采工作面的实测，物理模拟与理论分析，对神东矿区特大采高综采工作面覆
14、岩结构关键层结构形态及其对矿压显现的影响规律与支架合理工作面阻力确定等问题进行了深入的研究。认为由于特大采高工作面采高明显增大，靠近工作面的亚关键层易进入垮落带中，不能形成“砌体梁”结构，而成“悬臂梁”结构周期性破断，形成工作面的周期来压，周期来压的持续长度与控顶距接近。一定条件下，远离工作面的亚关键层破断会导致靠近工作面亚关键层的提前破断，造成工作面来压步距和来压强度呈一大一小的周期性变化。文志杰、汤建泉教授等以大采高岩层运动及应力分布规律为核心，运用传递岩梁理论对大采高综采工作面上覆岩层破断结构进行分析，建立了大采高采场结构力学模型，分析了给定变形和限定变形两种力学状态下支架荷载的确定方法
15、18,19。宁建国教授20等通过对鄂尔多斯盆地矿井 2-2煤层综采工作面支架循环末阻力增长规律分析，建立浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型，推导了工作面顶板不同运动阶段综采支架支护强度计算公式，并与现场观测结果进行对比。研究发现浅埋煤层弱胶结顶板中存在着由若干小断块岩块挤压构成的“岩块挤压岩梁”，这部分岩层可称为“类基本顶”，其不仅能够传递水平力，而且可起到减缓上覆岩层对支架的冲击作用；在浅埋煤层工作面开采期间，弱胶结顶板破断运动过程可分为3个阶段：阶段I，直接顶垮落，上方砂质泥岩断裂、挤压、离层；阶段II，类基本顶“岩块挤压岩梁”结构形成阶段；阶段III，基本顶冲击沉降阶段；随着工作面推进，液压支架循环末阻力增长过程也呈现工作阻力初次升高段、缓慢升高段和显著升高段3个阶段。弓培林教授21-23等应用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及移动规律，认为大采高的垮落带及断裂带高度与覆岩关键层的分布特征密切相关，大采高的垮落带及断裂带高度大于相同煤层分层开采相应的高度，随采高的增加呈台阶状上升。采用现场实测及相似模拟技术研究了大采高综采采场顶板结构特征，建立了大采高综采采场的顶板控制力学模型。1.2.2 大采高工作面支护方法的研究现状中国煤矿采场围岩控制4中采用类比的方法给出了大采高支架的合理工作阻力，
