冲沟发育矿区浅埋煤层采动覆岩失稳机理及其控制研究

我国西北矿区地表冲沟发育的地形地貌导致浅埋煤层长壁开采工作面矿压显现呈现出新的特征，由此影响矿井安全高效生产的现象普遍存在。本项目以浅埋煤层采动覆岩为研究对象，基于典型冲沟采动坡体物质组分及性能参数测定结果，综合运用实验室相似材料模拟、3DEC数值计算、理论分析等方法，系统分析由开采引起的采动坡体的活动方式、影响因素及失稳模式，将采动坡体活动纳入顶板结构控制研究中来，建立冲沟坡体下浅埋煤层开采覆岩整体结构力学模型，揭示由采动坡体失稳诱发顶板结构失稳的力学机制。结合理论分析和采动坡体失稳对矿压影响的敏感性实测结果，确定冲沟采动坡体敏感性分类的关键指标并研究其定量化描述与计算方法，基于采动坡体的敏感性分类结果，提出相应的控制顶板结构失稳的有效对策。研究成果可指导条件类似矿区的煤柱设计、支架选型，也可为山区采动地表移动变形预计和采动山体滑坡控制提供理论借鉴。

本项目针对我国西北矿区地表冲沟发育的地形地貌特点，以基岩型和沙土质型采动坡体为主要研究对象，综合运用实验室物理模拟、计算机数值计算、理论分析及现场实测等手段，对冲沟发育矿区浅埋煤层采动覆岩失稳机理及其控制进行了系统地研究。在项目组共同努力下，目前已按计划完成研究内容，并初步指导了工程实践。主要研究成果如下：. （1）揭示并证实了工作面不同的推进方向可导致不同的采动坡体活动方式，向沟开采时产生顺坡滑移，背沟开采时产生反坡倒转，但基岩型冲沟与沙土质型冲沟引起坡体活动的机理不同。提出了基岩型冲沟采动坡体的“多边块”铰接结构，分析了坡角变化对该结构的影响特征，建立了相应的稳定性分析力学模型；得出坡角越大，基岩厚度越小，该结构越易产生滑落失稳，并计算出控制多边块体滑落失稳的支护阻力。. （2）提出了沙土质型冲沟坡体下浅埋煤层基本顶初次破断的不对称性，建立了与基本顶初次来压和周期来压相对应的结构力学模型，并进行了结构稳定性和“支架—围岩”关系分析，计算出控制顶板结构滑落失稳的支护阻力。. （3）现场实测结果验证了两种典型冲沟采动坡体下工作面支护阻力计算的有效性，并表明：背沟开采时工作面支护阻力呈减小趋势，顶板控制的重点区域为采动坡体的下段；在煤层埋深一定的条件下，冲沟深度越大，坡角越大，采动坡体对工作面顶板的反作用效应越大。. （4）基于实测和数值计算结果分析，提出了冲沟切割系数的概念，并依据裂深比、冲沟切割系数与坡角等指标，结合冲沟活动对井下采场矿压影响的敏感性程度，将冲沟坡体分为敏感型坡体、过渡型坡体和不敏感型坡体三类。. （5）提出了冲沟坡体下开采顶板控制的基本对策和方法，主要包括加大支护强度、合理选择采高、优化开采部署（即避开冲沟开采或沿沟开采）、调整开采方法等；结合工程实践，开发了沿沟开采技术，并通过工程实践验证了该技术的优越性。开发了沿沟开采技术，并通过工程实践验证了该技术的优越性。