大采高采场围岩控制理论及应用研究

大采高开采技术是厚煤层开采工艺的重要发展方向之一。我国很多矿区赋存有6.0m以下厚煤层。如晋城、潞安、大同、阳泉、邢台、徐州、兖州、阜新以及神府、东胜煤田，在这种煤层条件下，大采高开采是首选的方法。大采高开采资源回收率高，煤炭质量好，能实现高产高效，经济效益好。但大采高开采有其适用的条件，我国多年的大采高实践表明，大采高工作面易发生煤壁片帮，端面冒顶，支架稳定性事故率高，这些因素影响到大采高工作面生产潜力的发挥，有很多工作面采用大采高技术没有取得好的效果。影响大采高发展的原因是多方面的，其中，围岩控制理论不能有效指导大采高生产实践是主要原因之一。目前尚缺系统的科学的围岩控制理论。现有的一些研究也是零散的，局部的，不能系统全面地解释大采高实践中出现的种种问题，也没有完整的一套围岩控制方案，对大采高适用条件的评价问题研究也不够深入。因此，大采高开采工艺的快速发展急需围岩控制理论给予指导。 针对以上问题，本文以大采高覆岩结构及运动规律为中心，深入研究了大采高采场围岩控制的相关课题，主要包括8个方面的内容：①大采高采场的覆岩结构及运动规律；②支承压力分布规律；③大采高工作面矿压显现规律及特点；④支架载荷计算；⑤大采高采场支架围岩关系；⑥大采高顶板分类；⑦大采高支架横向稳定性控制；⑧煤壁片帮机理及控制。 (1)大采高采场的覆岩结构及运动规律。采用相似模拟技术研究了寺河矿岩层条件下大采高的采场结构。研究表明，大采高采场直接顶厚度加大，采高5～6m时，直接顶厚度在15m以上，初次来压前直接顶分层分次垮落。初次来压后，直接顶厚层分段冒落。大采高仰采时基本顶不能形成铰接平衡结构。俯采时直接顶悬顶加剧。利用关键层理论研究了大采场垮落带、断裂带范围与采高的关系。研究表明，随采高的加大，两带的范围扩大。但与采高不是线性关系，与关键层位置密切相关，两带的高度随采高的增大呈阶梯状上升，每一平台表示一层关键层的控制作用。对基本顶的力学分析表明，靠近采场的传统意义上的基本顶，在大采高采场极易垮落而变为直接顶，我国现行分类方案中的Ⅰ、Ⅱ级基本顶，采高增大时将变为直接项，直接顶厚度与采高的比值N大于2.9～3.2，采高越大，N值越大。综合研究国内大量相似模拟实验结果，揭示了大采高采场覆岩破坏的“梯形台体结构”，并对该结构的变形破坏特征给予分区，共分为六个区。研究了各个区域变形特征及采场围岩控制的关系。 (2)利用覆岩结构的研究成果，运用数值模拟技术研究了大采高采场前支承压力分布规律。主要特点是，近煤壁支承压力峰值低，峰值点距煤壁距离远，远离煤壁的支承压力随采高的增大而增大，影响范围远，支承压力的分布及大小既与覆岩结构有关，也与煤层厚度及力学特性有关。 (3)大采高工作面矿压显现规律。对国内成功使用大采高开采技术矿压观测成果的研究表明，大采高工作面所需支护强度高，高于按传统顶板分类推荐的支护强度。动载系数小，支架载荷分布以正态分布为主。大采高支架载荷与顶板类别不明显，支架初撑力与工作阻力呈线性关系，说明大采高以静载为主的特点。对不同工作面的支护阻力研究表明，按照4倍采高岩柱高度加悬项部分岩层重量估算支架载荷与实测值吻合，可作为支护阻力确定的重要方法之一。 (4)支架载荷的计算。利用数值模拟的方法研究大采高直接顶在不同支护阻力时的变形破坏规律。直接顶在下层面端面距处产生压剪破坏，在上层面产生拉破坏。由于大采高采场直接顶较厚，两个破坏区域不易贯通，这是顶板控制的有利条件。根据直接顶岩层结构不同，将大采高直接顶划分为三种类型，从理论上给出了支架载荷的计算原理及计算方法，Ⅰ型、Ⅱ型直接顶按给定载荷法或采高倍数法计算；Ⅲ型直接顶按采高倍数、附加载荷法、冲击载荷法计算。 (5)支架围岩关系。大采高围岩控制的重点是杜绝冒顶、减少片帮，对支架的要求是自身稳定性好。数值模拟表明，提高初撑力可以有效减小初始下沉量，初撑力的大小至少应能平衡直接顶岩体重量，提高工作阻力，减小端面处的应力集中程度。在中硬顶板情况下，支柱位置应距离煤壁较远一些，有利于减小应力集中程度。掩护式支架能产生主动及被动指向煤壁的水平力，有利于控制端面冒顶。利用直接顶自承力原理，研究了大采高采场顶梁合理形式及支柱作用点位置，并对寺河矿开采条件下的支护参数进行了优化。 (6)大采高顶板分类。利用有限的现场实测资料，结合覆岩结构及支架围岩关系的研究成果，对我国大采高顶板初步分类，大采高顶板以直接顶岩层结构为主要分类指标，共分为三类(三型)，分别为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，分类详细规定了岩层结构组成，顶板控制重点，给出相应支架选型及可控程度。研究表明，我国的大部分矿井为Ⅰ、Ⅱ型直接顶，除底层为极不稳定的1类项板构成的Ⅱ型直接顶不宜使用大采高开采外，其它类型顶板均可使用大采高开采。这是我国推广大采高开采的有利条件。Ⅲ型直接项分为三个亚类：Ⅲa不需辅助弱化顶板使用大采高。Ⅲb、Ⅲc需弱化顶板后使用大采高开采。 (7)大采高支架横向稳定性研究及控制。通过对高架受力状态的分析，研究了高架的单架翻倒、多架翻倒、单架下滑、多架下滑以及由于支架下滑而发生倾倒的力学原理、影响因素及控制方法。通过实验室的支架稳定性试验研究，给出了影响支架失稳的主要因素：重心、支架高度、移架方式、倾角、偏载作用点位置的影响程度及相关关系。防止支架失稳的主要措施有，降低支架重心及四连杆机构重量，装设底调千斤顶，采用合理的移架方式，适当加大底座宽度及工作面的科学管理。 (8)煤壁片帮机理及控制。数值模拟表明，随采高增大，煤壁塑性区有增大趋势，但幅度不大，影响煤壁片帮的主要因素是煤层中节理裂隙发育及结构面分布特征。针对煤体不同的裂隙方位研究了对煤壁片帮的影响程度，同时研究了煤体的分层效应对片帮的影响，为易片帮煤体采用化学加固方法提供了理论基础。应用模糊数学的方法对煤壁稳定性予以分类。