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短壁工作面开采是当前我国高效回收复杂边角煤块段的主要采煤方法之一,传统的房柱式短壁开采方法以留煤柱支撑上覆顶板,存在着资源浪费量大的严重问题,因此研究不留煤柱的短壁连采技术对今后提高煤炭资源回收率、实现特殊条件下的边角煤安全高效开采具有重要的意义。 采用顶板全垮落法的短壁连采技术,需要对覆岩顶板的运动规律进行系统研究,分析顶板岩层结构以及对工作面矿压显现有明显影响的岩层运动规律,包括其极限运动步距以及极限悬顶面积。因此本文采用理论分析、实验室相似材料物理模拟、计算机数值模拟结合现场实测的方法对全垮落法短壁连采覆岩组合动态运动规律及关键技术进行了系统研究。 (1)提出了以岩板理论进行短壁采场关键层判断的方法,将神东矿区短壁采场覆岩结构划分为单一关键层结构及多层关键层结构两种类型,通过理论计算得到了不同覆岩结构的短壁采场顶板极限悬顶步距和悬顶面积,并通过理论研究与相似材料模拟分析了短壁采场覆岩的运动特征与应力场分布。 (2)提出“工艺极限回采面积”和“应力极限回采面积”两个概念,对垮落的直接顶的控制是对工艺极限回采面积的控制,而对关键层的控制是对应力极限回采面积的控制。理论分析提出了规则形状和不规则形状关键层的悬顶步距以及极限回采面积计算式。 (3)设计了切块后退式、切块前进式、支巷后退式三种短壁开采方案,计算机模拟了不同开采顺序下覆岩组合的动态运移与围岩应力场演化规律,确定了块段后退式回采为最优的回采顺序。 (4)提出了坚硬顶板条件下全垮落法顶板控制的主要技术措施为:区域四周直接顶聚能爆破拉缝预切顶、回采过程中直接顶有规律的强放、合理使用线性支架及严格控制应力极限回采面积等。全垮落法短壁连采顶板控制技术可取消区段内各种煤柱和区段间隔离煤柱,真正实现回采区域内无煤柱连续开采。 通过现场工程实践,采用顶板全部垮落法短壁连采技术提高了约10%的采区回收率,多采出煤炭3.5万t,同时对覆岩顶板运动进行了有效控制,工作面矿压显现不强烈,取得了良好应用效果。