【摘 要】
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厚煤层大采高综采工艺是本世纪以来迅速崛起的安全高效回采工艺,大采高工作面采场矿压与岩层控制理论研究的必要性和紧迫性日益凸显。作为该研究领域的重要试验手段,常规的相似材料模型试验技术已难以满足厚煤层等复杂条件的采场矿压研究需求。在大量国内外实地考察与调研的基础上,研制了高刚度、大载荷、可旋转的采场模型试验系统。以山西晋城寺河矿大采高工作面为工程原型,依托该试验系统开展了大采高工作面采场相似模型试验,
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厚煤层大采高综采工艺是本世纪以来迅速崛起的安全高效回采工艺,大采高工作面采场矿压与岩层控制理论研究的必要性和紧迫性日益凸显。作为该研究领域的重要试验手段,常规的相似材料模型试验技术已难以满足厚煤层等复杂条件的采场矿压研究需求。在大量国内外实地考察与调研的基础上,研制了高刚度、大载荷、可旋转的采场模型试验系统。以山西晋城寺河矿大采高工作面为工程原型,依托该试验系统开展了大采高工作面采场相似模型试验,揭示了大采高采场覆岩破断结构形态,得到了采动应力场的动态演化特征,揭示了大采高采场覆岩破断的“梁—拱结构”,试验工作面矿压实测数据验证了模型试验结果的准确性。研制内容与研究结论如下:（1）研制了高刚度、大载荷、可旋转的采场模型试验系统,包括主体结构与测量系统。采用该系统可构建不同尺寸与倾角的采场相似模型,模型最大尺寸5m×2m×0.4m;模拟地层倾角0-60°;双向加载面力达2.10MPa,当模型采用1:20等较大的几何相似比时,模拟采深可达2000m。（2）研制了与试验系统相匹配的高精度、低扰动、高效率测量系统,包括模型体应力测试装置、超前支承压力测试装置和采场支护模拟系统。模型试验结果表明,测量系统采样精度高、测试效率高、长时稳定性好。基于相似材料母体的应力测试装置与模型体力学性能匹配、变形协调性好,具有良好的防潮性能,能够准确获取测点的应力变化特征。基于液压控制原理研制的采场支护模拟系统重复性好、线性度高、力学性能稳定,能够模拟现场支架的运转特性,模拟结果能够反映采场矿压的变化过程。（3）研制了以河沙、石膏、碳酸钙（简称SGC）为原材料的相似材料。根据模拟岩层强度的差异,胶结料可选择普通石膏或高强度石膏。胶结料选用普通石膏时,试件单轴抗压强度348-1100kPa,压拉比4.5-7.5。选用高强度石膏时,试件单轴抗压强度730-2375kPa,抗拉强度74.8-219.7kPa,弹性模量0.20-0.71GPa,内聚力0.17-0.47MPa。该类相似材料的和易性时间窗口为5-20min,且胶结料含量越高,和易性持续时间越短。在模型材料强度相近的前提下,优先选用高强度石膏配比方案,以降低胶结料含量,保证模型铺设的可操作性。（4）大采高采场覆岩破断的宏观包络线呈钝角“Λ字形”分布,相邻“Λ字形”之间的区域为新断岩层,历次包络线叠加后呈“螺旋状”展布形态。以向右推进的工作面为例,“A字形”右翼为周期性断裂岩层,翼宽与周期断裂步距基本相同;右翼外侧为覆岩破断边界线,历次破断边界线的倾角基本相同。“Λ字形”左翼为纵向新断岩层,翼宽与纵向波及高度增量基本相同,左翼轮廓呈前高后低的倾斜形态,倾向指向推进方向。（5）基于采场相似模型试验中覆岩破断块体下部无序堆积、上部有序排列、挤压传力的分布形态,构建了大采高采场覆岩破断的“悬臂梁—层间岩层—砌体梁”结构模型。（6）模型试验的应力测试结果表明,大采高工作面覆岩最大主应力场呈拱形分布特征。两侧实体区与采空区上覆岩层形成协同承载结构,覆岩总体处于主应力升高区,采空区覆岩应力升高区呈拱形分布,高应力区集中在两侧的拱肩处。覆岩垂直应力场呈分区式演化特征,采空区上方为垂直应力降低区,两侧实体区域为应力升高区,且超前区域应力集中程度高于后方。（7）覆岩破断过程表现为“梁—拱结构”,即:上覆岩层破断后块体堆积形态外表似梁,而以断裂带为代表的覆岩呈应力拱式传力机制。厚硬岩层破断过程对覆岩宏观应力场的演化进程有重要影响。以试验工作面的低位、高位等两层厚硬岩层的破断为例,覆岩应力场的宏观演化进程可概括为:低位应力拱、低位次生拱、高位主应力拱、高低位次生组合拱。高位岩层破断后,控顶区上方呈现高低位组合拱的主应力分布形态。（8）综合采用模型试验、离散元模拟等研究方法,确定试验工作面液压支架工作阻力值取12000kN。在数值模拟研究中,视支架刚度为特定常量,基于支架增阻可缩性原理,将“顶板-煤壁-支架”视为协同承载体系,全面评估了不同支护强度时顶板、煤壁的变形特征及液压支架工况响应。（9）试验工作面生产期间开展了顶板矿压显现特征、支架运行阻力等实测分析,现场实测结果验证了模型试验数据的准确性,新型采场模型试验系统的可靠性得到验证。
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