大采高采场煤壁稳定性及其与支架的相互影响研究

当前，大采高综采已成为我国矿井实现厚煤层安全高效高回收率开采的主要工艺方式之一。由于大采高采场开采空间大、岩层移动垮落范围大，矿压显现程度增大，因而大采高煤壁的稳定性问题成为制约大采高综采安全高效生产和适应性的关键问题。因此，本项目从大采高煤壁稳定性及其与支架稳定性的相互影响作为研究的立足点，研究不同煤层硬度和不同裂隙分布组合条件下，大采高工作面超前采动应力的分布规律和作用特征、煤壁内裂隙的产生、扩展和贯通演化规律以及煤壁的变形位移规律；研究大采高采场老顶失稳对支架位态及煤壁稳定性的影响规律，以及大采高煤壁在采动应力作用下失稳垮落的空间分布特征、失稳垮落的类型、力学作用机制，研究大采高支架架型结构和支护参数对煤壁稳定性的控制作用以及煤壁稳定性对端面顶板和支架稳定性的影响，提出基于煤壁稳定性影响的大采高综采的适应条件，为大采高综采合理应用、支架的合理选型以及煤壁稳定性控制提供理论依据。

本项目基于我国大采高综采煤壁片帮失稳及其与支架稳定性相互影响，进而影响厚煤层的安全高效开采问题，综合采用现场调研、理论分析、物理模拟、数值计算、工业性试验等研究方法，对大采高煤壁失稳特征、支架与煤壁相互作用影响机制及相应控制技术等进行了系统深入的研究。研究成果：.（1）揭示了大采高工作面超前采动应力的分布规律以及采高对煤壁支撑能力的影响规律，提出了弱化系数的概念，以表征采高对煤壁支撑能力的弱化效应，得出大采高工作面极限平衡区内支承压力与采高及煤体的损伤程度成反比的关系，与松软煤体的力学参数（E、C）成正比的关系。.（2）基于节理裂隙的损伤及采动应力的分布特征，揭示了煤壁内节理裂隙的产生、扩展和贯通演化规律以及煤壁的变形位移规律，得出煤层内节理裂隙扩展贯通的形态、尺寸及密度主要受原生节理面产状的影响，煤壁的变形破坏形态是节理裂隙扩展演化的宏观表现。在硬及中硬煤层条件下，当节理面倾角为90°时，煤壁稳定性主要受工作面来压的影响；当节理面与工作面存在交线时，工作面易片帮区域位于交线附近。在松软煤层条件下，工作面易片帮区域多位于煤壁中部，煤体的物理力学参数越小，煤壁越易失稳。.（3）自主设计研制了用于大采高综采工作面支架与围岩相互作用关系研究的模拟支架及液压控制系统，实验得到了大采高煤壁在采动应力作用下失稳垮落的空间分布特征、失稳垮落类型以及支架初撑力对大采高工作面煤壁失稳的影响规律、煤壁失稳和顶板活动对支架位态及承载特征的影响规律。.（4）.建立了大采高工作面支架-顶板-煤壁相互影响关系的力学模型，揭示了三者的相互作用机制。大采高工作面支架支护强度及直接顶下沉量均随煤壁片帮深度和基本顶回转角的增大近似呈线性增加，直接顶下沉量及煤壁片帮深度与支架支护强度近似呈类双曲线关系，煤壁片帮深度随基本顶回转角度的增大而增大，极限片帮深度趋向于基本顶断裂线至煤壁的距离。.（5）.提出了基于煤壁稳定性控制的大采高综采的适应条件及相应的控制技术措施，并进行了工业性试验，取得了显著的技术效果。极软厚煤层大采高工作面，采用超前深孔静压预注水技术，改善了煤壁的稳定性，使得片帮频率降低了80%，平均片帮深度减小了35%。采用超前松动爆破强制放顶技术，工作面煤壁片帮频率及深度大幅度降低，确保了坚硬顶板大采高工作面支架的稳定性。