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近十年来我国煤炭消耗量迅猛增长,煤炭效益较好,煤炭开采强度也随之增大,造成可采中厚煤层煤炭资源储量迅速减小,但是我国的薄煤层分布广泛,储量丰富,约占全国煤炭储量的20%。许多矿业集团为了延长煤矿开采年限,提高资源回收率,逐渐开始重视薄煤层的开采。兖矿集团正在开采的薄煤层普遍含有硫化铁硬结核,目前的薄煤层采煤机受到功率的限制,遇到含结核薄煤层时切割力不足,生产效率低。本课题提出通过控制上覆岩层运动状态改变煤壁中采动应力分布规律,利用支承压力压酥煤壁,从而降低采煤机的割煤难度。 本文以兖州矿业集团杨村矿6603薄煤层工作面为工程背景,运用理论分析和有限差分软件FLAC3D,对液压支架控制岩层运动来破煤的机理进行了研究,取得了一些规律性的结论,可以用来指导薄煤层工作面的安全高效生产。 首先,把薄煤层工作面一些影响煤壁塑性区大小的主要因素提取出来,然后简化为较简单的力学模型,最终简化为了粘弹性地基梁的结构模型,把地基赋予伯格斯体粘弹性特性,把基础梁演化成一端有支架支撑的悬臂梁,通过地基梁模型推导出了支架阻力、地基某一点的反力和时间的量化关系,进而计算得地基反力最大值的位置距悬臂端处的距离随着支架阻力的减小而增大,随着时间而增大。力学模型中的地基反力也就是采场煤壁中的支承压力,地基反力的最大值也就是支承压力峰值,而峰值点就是煤壁塑性区和弹性区的分界点,因此,煤壁塑性区深度随着支架支撑力的降低和时间而增大。 其次,对薄煤层工作面煤壁进行了FLAC3D数值模拟研究,建立了和薄煤层工作面相似的模型,采用与理论研究相近的伯格蠕变计算模型分别模拟了薄煤层硬结核赋存条件的变化、支架工作阻力和时间效应对工作面煤壁塑性区和支承压力的影响,模拟结果验证了理论计算得出的结论,两者都计算出当煤壁塑性区宽度在0.5m时,支架的支撑力应该在2200kN左右。不过理论计算不能把煤层中硬夹矸计算在内,而数值模拟可以模拟硬结核对煤壁塑性区的影响。 最后,对理论计算和数值模拟得到的结论与试验工作面实测得出的结果做了比较,理论计算和数值模拟的结果与现场实测的数据基本吻合,也证明了理论分析和数值模拟分析结果的正确性。