急倾斜俯伪斜采场顶板破断特征及矿压规律研究

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与近水平、缓倾斜煤层相比,急倾斜煤层由于煤层倾角大且开采后垮落矸石的非均匀充填作用决定了其顶板破断特征及采场矿压规律的特殊性。本论文以逢春煤矿S2611试验工作面为研究对象,对急倾斜俯伪斜采场工作面顶板破断特征及矿压规律进行了理论分析、数值模拟和现场矿压实测的研究,并对试验工作面液压支架进行了适应性分析及运行特性评价,验证了ZJY2400/8.5/15.5支架能够满足控制顶板的要求。主要研究工作、内容及结论为:(1)建立急倾斜俯伪斜工作面顶板的梁式模型,分析了工作面顶板的破断特征:沿工作面推进方向上,上部水平顶板会首先发生断裂,然后中部、下部水平顶板相继发生断裂,表现出时空差异特征;顺工作面倾斜方向上,在顶板两端发生断裂后,中上部位置处顶板会首先发生断裂,顶板沿倾斜方向形成相对较稳定的铰接结构。(2)将急倾斜俯伪斜采场悬露顶板简化为求解均布荷载作用下的矩形板,通过求解矩形采场顶板,分析了均布荷载作用下顶板岩层在初次垮落和周期垮落前内应力分布规律,并计算得到了顶板岩层上板面和下板面的最大主应力云图,分析了顶板的破断形态为“O-X”和“C-X”型破坏。在此基础上预测了急倾斜俯伪斜采场平行四边形顶板呈现倾斜“O-X”的初次破断及倾斜“C-X”型的周期破断形态。(3)采用FLAC3D软件构建了S2611急倾斜俯伪斜工作面数值计算模型,研究沿煤层走向方向、顺工作面倾斜方向上采场矿压特征。得到了沿工作面推进方向和顺工作面倾斜方向上不同推进距离情况下的垂直应力分布及演化特征;通过简化模型,模拟分析了平行四边形采场顶板在均布荷载及非均布荷载条件下的破坏特征。(4)通过对S2611试验工作面现场10#、27#、44#支架监测结果表明,采场工作面倾斜方向下部顶板初次来压步距最小、上部顶板初次来压步距次之,中部顶板初次来压步距最大;工作面顶板发生分段周期性断裂,平均周期来压步距是工作面上部最小,中部次之,下部最大,上部、中部、下部之间的周期来压步距之间均相差约11%。(5)基于理论计算及现场实测支架支护阻力,得到ZJY2400/8.5/15.5新型掩护式液压支架对急倾斜薄煤层中等稳定及以下顶板有很强的适应性;对工作面支架运行特性进行了评价,最大工作阻力小于支架的额定工作阻力。ZJY2400/8.5/15.5新型液压支架能够很好的适应控制工作面顶板的要求。
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