综放工作面端头顶煤运移规律及放煤机理研究

本项目以实现综放工作面端头顶煤的顺利放出和端头安全支护为目标，以综放工作面端头顶煤（板）为研究对象，拟采用理论分析、数值模拟、现场观测、室内试验等方法，研究综放面端头放煤时的端头顶板结构形式及运动规律，研究在端头顶板运动、支承压力、巷道支护和端头支护共同作用下的端头顶煤的破裂破碎过程、运移规律和放出规律。首先通过理论分析和室内试验建立综放面端头顶板结构力学模型，并分析其在放煤条件下的结构稳定性及其运动规律；然后通过室内试验和现场试验观测顶煤（板）的位移，结合数值模拟确定综放面端头顶煤在不同阶段的破坏和运移规律；再者，通过理论分析和数值模拟，结合现场观测确定综放端头顶煤的放出规律；最后分析综放面端头顶煤冒放性的影响因素，并确定冒放性与各个因素的关系，建立端头顶煤冒放性分类与评价体系。项目的研究可进一步提高煤炭资源的回收率，为实现综放面端头安全放煤作业提供理论依据。

综放开采技术是厚煤层开采中的一种高产高效方法，然后其回采率低的缺点仍然是限制其应用的瓶颈之一。其中，在工作面端头附近，由于应力集中大、设备多，端头顶煤通常丢弃在采空区，造成了资源浪费。为此，本课题针对综放工作面端头顶煤回收难、安全性差的难题，以端头顶板（煤）为研究对象，运用理论分析、室内试验、数值模拟以及现场试验等方法，开展了大量的研究工作，获得的主要研究成果有：（1）提出了端头放煤时顶板大小结构模型，认为基本顶形成砌体梁结构（形成台阶），上位直接顶为悬臂结构；端头未放煤时，认为上位直接顶形成短砌体梁结构（形成台阶），基本顶形成砌体梁结构；端头上位直接顶和基本顶形成大结构；同时，认为端头下位直接顶和顶煤会形成弧三角形悬板（小结构），并对悬板的稳定性进行了分析；（2）分析了端头顶煤的破坏过程，将端头顶煤分为六个阶段、五个区域，即初始阶段（完整区）、巷道掘进影响阶段（大部分完整区、加锚区）、掘进稳定阶段（大部分完整区、加锚区）、超前采动影响阶段（破坏发展区、加锚破坏区）、端头支架上方阶段（破裂发育区、加锚破裂发育区）、端头支架后方阶段（冒落区、去锚冒落区）；（3）监测和模拟的端头顶煤的运移过程，得到了位移变化曲线，发现端头顶煤的变形分为缓慢增加段（弹性变形）、明显增加段（塑性变形及破坏）、急剧增加段（破碎及冒落）等三部分，同时发现端头顶煤位移的垂直分量大于指向采空区的水平位移分量；（4）模拟和分析了端头顶煤的冒放过程，发现端头顶煤的冒放性除了常规影响因素外，还和端头支架阻力、巷道基本支护和超前支护、顶煤悬板尺寸有关，而且端头顶煤的冒放仍基本符合椭球放矿规律；（5）计算分析了端头支架的强度，发明了端头过渡架自动割网装置、简易顺槽放煤支架以及顺槽放煤液压支架，实现了端头顶煤的放出；（6）分析了端头顶煤对综放沿空巷道围岩稳定性的影响，提出了控制沿空巷道围岩稳定性的原理和方法。总之，本课题的研究成果揭示了综放面端头顶板（顶煤）的运移规律，得到了综放面端头矿压显现规律，为综放技术的发展奠定了基础；同时，还研发了相应的装备，实现了综放端头顶煤的安全顺利放出，提高了综放面的煤炭采出率，取得了显著的技术经济效果。