综采放顶煤技术经过近二十多年的迅速发展,无论是在理论研究还是工程技术方面,已经达到了很高的水平,但仍然存在很多问题尚未解决。针对综放采场顶板运动稳定性的特点,论文重点解决初次来压阶段综放采场厚层坚硬顶板的运动规律及其“关键性”问题,以及初次来压阶段和正常推进阶段顶煤放出率的变化对厚层坚硬顶板结构稳定性的影响。结合工程实际,应用论文研究成果,对河南义马常村矿巨厚砾岩孤岛综放面顶板结构的稳定性、综放工作面“异常压力”的产生机理进行研究。 在初次来压阶段,采用两端嵌固梁考虑体积力的力学模型,利用弹性理论分析了厚层坚硬岩层的应力分布。厚层坚硬岩层的运动方式分别为:沿中间弱面被剪开的分层运动;全厚度压剪破坏;弯拉破坏。通过力学分析,得到了上述三种运动方式的力学判据和判断曲线。得出了厚层坚硬岩层分层运动后,对其他岩层的控制作用减弱,其“关键性”下降的结论。现场实例检验表明,此方法用于老顶初次断裂方式和步距的预测,比传统的简单加线载荷、用材料力学进行分析的方法更符合厚层坚硬顶板的实际情况,能对“关键层”在运动过程中的破断方式做出准确的判断。 针对综放采场顶板结构的运动特点,提出了老顶运动失稳的两种形式,分别为:由 于顶煤放出率增加,顶板结构下沉量过大而造成的在运动过程中整体变形失稳;由于工 作面推进跨度增大或上覆岩层存在断层等构造,而造成的局部铰接失稳。建立了初次来 压和周期来压阶段顶板稳定性分析的结构力学模型,利用最小势能原理分析了老顶结构 在初次来压和周期来压阶段保持整体变形稳定的条件;利用强度理论分析了老顶结构在 初次来压和周期来压阶段保持局部铰接稳定的条件。得到了顶板结构保持整体变形稳定 和局部铰接稳定相统一的、与顶煤放出率相关的力学判断准则。 根据综放采场顶板结构运动特点,详细描述了综放采场上覆岩层中需控岩层的范围。 分析了组成老顶结构的可能岩块数。得到了初次来压和周期来压阶段不同岩性的顶板由 岩层厚度表示的稳定性判断曲线,给出了基于顶煤放出率和关键岩层厚度的岩层运动稳 定性判断方法。 结合具体采场实例,验证了通过调整顶煤的放出率、利用力学原理预测运动岩层范 围和稳定性,从而实现厚层坚硬顶板工作面的安全开采的可行性。