大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”动力损害机制研究

Aim at the problems of dynamics behavior and its formation mechanism is not perfect, the disaster-causing mechanism is unclear, the damage result is uncertainty existing in the interaction between the "flying gangue" of longwall mining working face in steeply dipping seam and the structure of roof and bottom plate ,the coal wall, the "flying gangue" of longwall mining working face in steeply dipping seam is the object of study, based on non-probability interval analysis method which is more convenient and practical in uncertainty measure , the motion model of "flying gangue" were established under uncertainty environment, By using synthesis research methods of similar model test , field test ,theoretical analysis and numerical simulation, the kinematics, dynamics and energy characteristics for "flying gangue" of longwall mining working face in steeply dipping seam were systematically studied, the dynamic damage mechanism for flying gangue of longwall mining working face in steeply dipping seam is clarified . the main work is as follows: the formation mechanism and evolution process of " flying gangue ", the movement rule and the number - force characterization of " flying gangue ", the dynamic disaster formation mechanism and evolution process of "flying gangue" are researched in this project. The accurately calculate for motion track, speed and energy and the damage mechanism for equipment and person of "flying gangue" will provides the reliable theory basis for improving control technology of "flying gangue" in steeply dipping seam and ensuring safe mining in steeply dipping seam.

针对大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”与顶板、底板、煤壁等结构相互作用的动力学行为及其形成机制不完善、致灾机理不明确、损害结果不确定等焦点问题，本项目以大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”为研究对象，采用基于不确定性度量方面更为方便和实用的非概率区间分析方法，建立不确定环境下工作面“飞矸”运动模型，并综合运用“相似模拟实验-现场试验-理论分析-数值模拟”四位一体研究方法，系统地研究大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”运动学、动力学规律及能量特征，阐明大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”动力损害机制。具体研究内容包括：“飞矸”形成机理及其演化过程、“飞矸”运动规律及其数-力表征、以及“飞矸”动力灾害形成机制与演化过程。准确地计算“飞矸”运动过程中轨迹、速度和能量的变化及其对工作面装备和人员的损害机制，可为提高大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”控制技术和保障大倾角煤层安全开采提供可靠理论依据。

随着深部煤层和倾角较大煤层开采力度的加大和综采技术的发展，我国大倾角煤层开采矿井数目逐年增多，产量增大，经济效益提高。与此同时，大倾角煤层开采过程中一种衍生灾害危害逐渐凸显—飞矸灾害。由于大倾角工作面上下端高差大，脱离母体的煤（岩）块在重力下加速运移，动能加大且与人和设备碰撞瞬时发生，具有危害大，运移复杂的特点。针对大倾角煤层长壁开采工作面飞矸与底板结构相互作用的动力学行为不确定的问题，以大倾角煤层长壁开采工作面球形飞矸为研究对象，采用基于不确定性度量方面更为方便和实用的非概率区间分析方法，建立随机参数下球形飞矸运动模型，综合考虑摩擦系数、碰撞恢复系数和飞矸质量等参数的随机性对飞矸运动的影响，系统地研究了不确定环境下大倾角煤层长壁开采工作面飞矸运动学规律及能量特征。利用RocFall软件结合正交实验法选取影响飞矸动态威胁等级评估的主要因素，采用Genie软件建立动态贝叶斯网络模型，对飞矸沿工作面运动全过程的动态威胁等级进行评估。考虑飞矸形状及工作面环境参数等对飞矸运动的影响，利用Rhino软件分别建立顶板漏冒形成的椭球形飞矸和大倾角煤层工作面三维模型，并应用Abaqus软件对建立的模型进行网格划分，采用能量跟踪法对飞矸在三维空间的运动进行模拟，得到飞矸任意时刻的速度、角速度、能量变化，以及碰撞破碎后的运动情况。针对大倾角煤层开采工作面飞矸防护设备自动化程度不高及防护效果不佳等问题，采用光栅准确识别飞矸危险源，液压系统作为驱动，设计出一种自动化智能挡矸装置，有效解决了飞矸防护问题。准确地计算飞矸运动过程中轨迹、速度和能量的变化及其对工作面装备和人员的损害机制，可为提高大倾角煤层长壁开采工作面“飞矸”控制技术和保障大倾角煤层安全开采提供可靠理论依据。