长壁采场覆岩“O”型空间结构及相关矿山压力研究

【摘要】：采场覆岩空间结构是指对采场矿压显现有重要影响的覆岩破裂后形成的三维结构。 我们把一面采空(四周为实体煤)形成的采场覆岩空间结构称为“O”型空间结构。本文 运用相似模拟、理论分析、现场实测和数值模拟等方法,对采场覆岩“O”型空间结构的 形成、演化规律、与支承压力分布的关系及主要影响因素进行了研究: 通过相似材料模拟试验和现场实测研究,认为采场覆岩存在大小两个空间结构,即 在整个采空区覆岩层中“板-壳”演化的大空间结构,在采空区四周存在一个呈“铰接 岩板半拱”演化的小空间结构。采场覆岩“O”型空间结构的形成过程实质上是两个空间 结构的演化过程。随大空间结构演化,采场围岩支承压力由弹性分布向弹塑性分布演化: 随小空间结构演化,采场呈周期性来压。“板-壳”大空间结构的阶段性跃升使采场呈大 周期异常来压现象。 研究揭示的覆岩“O”型空间结构演化及矿山压力分布规律为:覆岩“O”型空间结 构发育高度为采空区短边跨度所控制,采空区“见方”时易来大压:在空间结构演化过 程中存在厚硬岩层夹持作用效应,而夹持作用效应是采动初期老顶与直接顶属性转化的 根本原因;“O”型空间结构采场两侧实体煤内破坏范围和支承压力分布规律基本相同; 工作面推进距离,l=4H/π≈1.27H时,围岩支承压力达到最大值。 本研究揭示了关键层、覆岩岩性、煤岩层倾角、采深、基岩厚度、采高、重复采动 和采空区跨度对采场覆岩“O”型空间结构演化的影响规律和特征。此外,厚松散层、地 表采动程度、工作面推进速度、采煤方法与顶板管理方法、开采程序及时间因素等对采 场覆岩空间结构均有一定影响。 在对采场覆岩“O”型空间结构演化规律研究的基础上,作者探讨了条带采场覆岩“O” 型空间结构及其演化规律,分析了条带覆岩空间结构及地表沉陷与控制的五个实例,认 为利用采场覆岩“O”型空间结构观点设计条带开采来控制地表沉陷是可行的,并提出了 条带开采设计准则与要点。 本研究中取得的一些重要研究成果,已写成学术论文并公开发表。