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快速推进长壁工作面覆岩失稳运动的动态时空规律研究

李西蒙  
【摘要】:近年来,西部浅埋煤层高强度开采工作面集中表现为推进速度快、开采空间大的特点,这种大空间快速推进条件下采场上覆岩层破断失稳运动的时空规律及其动态变化与突变特征对于支架的合理选型,岩层的有效控制及顶板灾害的预测防治具有重要的意义。推进速度是影响采场矿压显现的重要因素之一,也是工作面安全高效生产的重要保障。因此,研究推进速度的加快尤其是日推进度超过10m的开采条件下覆岩破断失稳规律运动的时空特点、矿压显现规律及与推进速度的关系,将对我国西部煤田的安全高效开采提供重要的技术与理论支持,同时,对国内外类似生产地质条件下矿井的安全高效开采也具有重要的参考和借鉴意义。本论文综合运用现场调研、统计分析、理论研究、数值模拟和相似模拟等方法,对西部矿区浅埋煤层长壁综采工作面快速推进条件下覆岩失稳运动的动态时空规律进行了研究和探索,总结了西部浅埋煤层开采技术现状,建立了快速推进条件下采场覆岩失稳时空运动的力学模型,揭示了推进速度对覆岩运动的影响规律。运用3DEC数值模拟软件,建立了快速推进条件下三维数值计算模型,对比分析了不同推进速度下老顶覆岩失稳运动的动态时空规律,研究分析了快速推进条件下覆岩运动场分布特征,分析得出推进速度较快的情况下,老顶岩层内各个测点的水平位移量较小,老顶岩层回转下沉量较小,快速推进条件下老顶位移有减小的趋势,推进速度的加快将导致来压步距的增大。运用相似模拟实验,对比分析了不同推进速度下覆岩失稳运动的时空规律,研究了推进速度对直接顶垮落步距和冒落规律的影响,分析了推进速度对老顶初次来压步距和周期来压步距的影响。推进速度较快的情况下,初次来压步距和周期来压步距增大;通过分析覆岩速度场,揭示了推进速度对覆岩下沉运动的影响特征,工作面推进速度的加快,造成悬顶长度的增加,易引起工作面冲击动压的发生;从关键层下位岩层开始,覆岩分层下沉曲线出现“分叉”现象,推进速度对关键层的回转角度产生明显影响;沿工作面推进方向,将工作面覆岩划分为稳定区、缓慢沉降区、加速沉降区和预移动区,推进速度影响敏感区主要位于加速沉降区,该区域的范围为工作面后方50m的范围;推进速度较快的情况下,覆岩回转角减小,减缓了上位岩层的弯曲下沉,岩层整体性下沉更为明显。采用理论分析方法,建立了逻辑斯蒂S型曲线动态沉降模型,以该模型为基础,推导得出推进速度对采场覆岩下沉运动的动态时空影响公式;结合相似模拟实验结果,建立了开采覆岩时空运动模型表达式,依据工作面上覆岩层中的推进速度敏感区特征,引入了推进速度敏感因子,揭示了推进速度对工作面矿压的影响机制。现场实测数据分析表明,工作面来压步距和来压持续范围随工作面推进速度的增大而增大,而动载系数随工作面推进速度的增加而减小。工作面压力中间大两端小,并随工作面推进速度的增大而减小。在煤炭开采的实际生产中,应该结合推进速度对矿压的影响规律,选择合适的推进速度,以有效减缓工作面来压的影响,保障工作面的安全高效生产。


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