浅埋煤层短壁开采上覆关键层破断与动力灾害防治研究

This project aims to study the mechanism analysis and systematic preventive treatment for dynamic disaster of key strata of short wall mining under shallow seam.Through the field observations, theoretical analysis, numerical simulation and similar material simulation, analysising the instability mechanism and main influence parameters of key stratum breaking.Objective function of system instability mainly caused by key stratum breaking or key stratum breaking combined with caol pillar failure, and kinetic energy released by system is estabilished.As key stratum caving is permitted,systematic parameters optimum design is taken by adopting Particle Swarm Optimization (in short PSO) theory combined with game theory through objective function of maximizing recovery and minimizing kinetic energy released by the system.As key stratum caving is not permitted, systematic parameters optimum design is obtained by objective function of guaranteeing stratum stability with safe factor under certain confidence interval and maximizing recovery. The confidence intervas of safe factor is obtained and system parameters optimization are taken through field observations combined with objective function and relative calculation method. Thus parameters are optimal designed by insuring system stability and maximizing recovery.

本项目拟针对浅埋煤层短壁开采关键层破断所造成的动力灾害进行机理分析和系统防治研究。通过现场观测、理论分析、数值模拟和相似材料模拟，分析顶板关键层破断失稳机理及主要影响参数。建立系统失稳（以关键层破断为主或以煤柱失稳和关键层破断为主）的目标函数，进而建立系统不同失稳形式下所释放动能的目标函数。采用粒子群优化理论（结合改进的博弈论）,对于可以采取垮落法的顶板，以系统破坏所释放的动能最小和最大回采率为目标函数进行参数优化设计；对于保持顶板稳定不垮的情况，以顶板不垮落（在一定安全系数的前提下）和最大采出率为目标函数进行系统参数优化设计。同时根据现场相关参数的测定，结合系统失稳判定函数和相关计算方法，给出系统安全系数的置信区间，并对现场系统参数进行优化设计。从而实现保证系统安全开采和提高回采率的参数优化设计。

如何通过合理方案设计实现短壁回采过程中留设的支巷间煤柱实现自身的稳定屈服，从而缓解或消除浅埋煤层坚硬顶板破断大面积来压所产生的动力灾害问题，同时最大程度提高煤炭回收率，对神东地区短壁回采工艺的应用以及实现边角煤的最大程度回收尤为重要。主要研究内容有：（1）浅埋煤层短壁开采上覆关键层破断失稳机理分析：首先通过突变理论分析了短壁开采过程中煤柱的失稳机理和条件，进而根据理论方程，系统分析了关键层开裂前的变形和能量分布力学特性，并进一步对短壁开采过程中关键层的开裂和垮落机理进行了理论分析和数值模拟研究，最终通过物理相似模拟和数值模拟系统分析了相邻区段开采过程中关键层的破坏规律；（2）建立关键层破断失稳的目标函数和相应的系统释放动能函数：根据关键层与各参数之间的关系，分析得出关键层破断前弯矩、挠度和能量分布规律，并对关键层失稳破断随主要参数变化规律进行更深入的分析，最终通过现场实测和数值模拟分析了关键层开裂过程中的微震特性；（3）浅埋煤层短壁开采关键层失稳造成的动力损伤程度优化设计及失稳预警系统研究：结合神东浅埋煤层短壁开采覆岩破坏特征，创新性的提出了“关键层-屈服煤柱”系统安全破坏优化设计模型，同时，给出了基于粒子群算法的短壁工作面顶板的安全性评价方法，并最终给出“关键层-屈服煤柱”安全破坏预警系统设计流程。