浅埋煤层大采高超长工作面顶板关键层断裂垮落及其灾害演化机理研究

Along with the development of coal mining technology and mining machinery equipment，many domestic mining working faces have change to heavy machinery,mining height 4.5 m by increasing to 6.3 m or7.0 m，the length of working face also gradually extended from 200m to 300 m、360 m or 400m, and it's mining speed gradually increased from 5m/day to 10 to 20 m/day.Under increasing working face mining height, face long,and advance speed conditions, the related problems of disaster prevention and control for mining face roof key layer fracture fell down and stope roof,has not begin have in-depth system research present. This issue adopts theoretical analysis、simulation similar test、numerical simulation test、on-the-spot measurement and other technology means to research the field.Based on key layer theory，established large mining height and super-long working face roof mechanical model，analysis the stability of roof key block，discused the caving and evolution law of large mining height and super-long working face roof，summaried its disaster model，proposed rational working resistance of support；established timeliness model of roof transformation，analysis the relationship of roof transformation and advance speed of working face. In order to perfect the large mining height working face mining pressure control theory, guide practical mining.

随着煤炭开采技术和采掘机械设备的发展，国内很多矿区工作面向重型化转变，采高由4.5m逐步增大到6.3m、7m，工作面长度也从200m逐步加长到300m、360m和400m，开采速度由5m/d逐步增加到10~20m/d。工作面采高增加、面长加大、推进速度加快的条件下，工作面顶板关键层下沉变形规律、断裂垮落及采场顶板灾害防治的相关问题，目前尚未开展过深入系统的研究，本课题拟采用理论分析、相似模拟试验、数值模拟试验、现场实测等技术手段，针对此领域展开研究。以关键层理论为基础，建立大采高超长工作面采场顶板力学模型，对关键层断裂关键块进行稳定性分析，探讨大采高超长工作面顶板断裂演化机理并总结其存在的采场顶板灾害模式，针对灾害模式提出控制顶板的支架合理工作阻力，以完善大采高开采矿压控制理论，指导实际开采实践。

受国家基金委专项基金资助以来，课题组对《浅埋煤层大采高超长工作面顶板关键层断裂垮落及其灾害演化机理研究》采用理论分析、相似模拟试验、数值模拟试验等技术手段，展开研究。以关键层理论为基础，建立大采高采场顶板力学模型，对关键层断裂关键块进行稳定性分析，探讨大采高超长工作面顶板断裂演化机理并总结其存在的采场顶板灾害模式，针对灾害模式提出控制顶板的支架合理工作阻力，以完善大采高开采矿压控制理论，指导实际开采实践。. （1）浅埋煤层大采高采场顶板断裂关键块结构运动与失稳控制的理论模型。建立顶板关键块的力学结构模型，按照严格的块体变形协调关系，推导关键块下沉时水平力学关系，分析其变化规律；对关键块的滑落失稳和变形失稳方式，进行分析，得出关键块结构的平衡范围；依照关键块不发生滑落失稳的原则，给出控制关键块平衡应该具有的支架支护阻力计算公式。. （2）浅埋煤层大采高开采覆岩移动垮落规律试验研究。基于神东矿区煤层条件，对5.5m和7m采高工作面开采，模拟研究开采过程中煤层、直接顶、基本顶及其以上岩层的移动、断裂和垮落演化规律。采高5.5m和7m时，直接顶岩层都是分层垮落；基本顶岩层同样是分层垮落，但采高增大到7m时，基本顶分层垮落后，岩块排列更不规则，可形成结构岩层的基本顶位置更高。基本顶岩层断裂后形不成砌体梁结构，只能形成悬臂梁结构，悬臂梁的周期性的折断引起工作面周期来压。. （3）浅埋煤层大采高超长工作面顶底板移近量和顶板垮落带高度随采高、工作面长度和支护强度的变化规律。顶底板移近量与采高呈现线性正比规律，与工作面长度为对数正比规律，与支护强度为对数降低规律，给出顶底板移近量与采高、面长和支护强度的回归关系式；同时分析揭示出顶板垮落带高度随三因素的变化规律，建立其回归关系式。. （4）浅埋煤层大采高超长工作面支护强度预测公式。通过理论分析及现场实测研究，提出采场合理支护强度与采高、工作面长度的单因素回归公式及双因素回归公式，并对补连塔矿7m特大采高综采工作面进行合理支护强度预测，现用支架额定支护强度是合适的。