峰丛地貌浅埋煤层综采工作面支架选型理论研究

摘要

我国西南地区以贵州为代表的典型峰丛地貌，地表多为起伏变化较大的山地地形。峰丛地貌浅埋煤层开采期间，煤层埋深变化大，工作面矿压显现异常强烈、液压支架安全阀开启率高甚至出现支架被压死等现象，不利于保证矿井的安全高效生产。本文以发耳煤矿1107工作面为现场研究对象，综合运用现场调研和实测、实验室物理模拟、数值模拟与理论分析等研究手段，对峰丛地貌浅埋煤层综采工作面覆岩运动特征和矿压显现规律进行了系统的分析，并以此研究结论为依据进行了工作面液压支架的合理选型研究。主要研究成果如下： （1）相似模拟结果表明：工作面基本顶初次垮落步距42.5m，共出现八次周期来压，周期来压步距处于14.4~23.1m之间，平均18.4m。向谷开采段周期来压步距平均为18.7m，谷底段开采为19.9m，背谷段开采为15m，周期来压步距平均值整体呈现“谷底段＞向谷段＞背谷段”的特征。 （2）相似模拟实验中向谷开采、谷底开采与背谷开采阶段的支架平均载荷分别为2760kN、2680kN、3150kN。工作面来压的“高压区”与“低压区”周期性呈现，背谷开采阶段“高压区”的影响范围与整体数值均最大。背谷段开采由于山地坡体临空面的存在，岩体间存在垂向载荷与水平作用力，导致上覆岩层产生水平位移，岩块之间的摩擦力不足，易发生滑落失稳，背谷阶段支架支护难度最大。支架工作阻力在背谷段达到4300kN的最大值，超出实际工作面支架阻力的26.4%，说明现有支架无法提供足够的支护强度。 （3）采用FLAC3D数值模拟软件分析得到工作面采动影响下前方煤岩体的应力集中程度整体呈现“背谷段＞向谷段＞谷底段”的特征，与相似模拟实验中工作面顶板来压规律相近。 （4）通过模拟工作阻力在2000~5600KN区间内顶板下沉量的变化规律，结合安全开采和经济高效等因素考虑，确定支架合理工作阻力在4300~4500KN范围内。与相似模拟实验中支架载荷最大值4300kN的支护要求相符。 （5）按照“给定变形”与“限定变形”的不同状态分析了支架与围岩相互作用关系。结合前述实验结果对不同强度支护方案进行了计算，得出了合理的液压支架支护工作阻力。

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