淺埋煤層頂板結(jié)構(gòu)理論與支護(hù)對(duì)策

應(yīng)用行業(yè)：礦山

技術(shù)領(lǐng)域：巷道支護(hù)

任務(wù)來(lái)源：

陜西省自然科學(xué)基金（98D02）

煤炭科學(xué)基金（91西礦采058）

煤炭青年基金（96-08）

神東煤炭公司委托系列項(xiàng)目

獲獎(jiǎng)情況：

中國(guó)高校自然科學(xué)一等獎(jiǎng)：“巖層控制的關(guān)鍵層理論”子課題

陜西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)

陜西省自然科學(xué)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)

陜西省教育委員會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)

Ø 主要內(nèi)容

1. 通過(guò)不同條件的淺埋煤層采場(chǎng)來(lái)壓規(guī)律的實(shí)測(cè)研究，掌握了不同頂板條件、支護(hù)條件、不同推進(jìn)速度時(shí)的頂板來(lái)壓規(guī)律，提供理論研究和反饋驗(yàn)證的實(shí)際數(shù)據(jù)；

2. 通過(guò)不同條件下淺埋煤層開(kāi)采過(guò)程相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究，掌握頂板巖層的破斷運(yùn)動(dòng)機(jī)理，揭示了頂板結(jié)構(gòu)的形態(tài)；

3. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果的耦合分析，建立采場(chǎng)初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；

4. 研究老頂巖塊端角擠壓和端角摩擦性質(zhì)，確定頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性定量分析關(guān)鍵參數(shù)—巖塊結(jié)構(gòu)端角擠壓系數(shù)叮和端角磨察系數(shù)tanф；

5. 建立頂板結(jié)構(gòu)“R—S”穩(wěn)定性準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了頂板結(jié)構(gòu)理論由定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)化；

6. 根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)理論，建立頂板控制的“支架一圍巖”作用關(guān)系，確定支架支護(hù)阻力的工作狀態(tài)，確定頂板來(lái)壓載荷和合理支護(hù)阻力參數(shù)的計(jì)算公式；

7. 根據(jù)頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和支護(hù)阻力確定的影響因素分析，得出頂板控制的原則和途徑。應(yīng)用頂板結(jié)構(gòu)理論研究成果，指導(dǎo)頂板控制實(shí)踐，進(jìn)一步觀測(cè)控制效果，修正理論，驗(yàn)證理論的正確性。

總體上，通過(guò)系統(tǒng)研究提出了淺埋煤層的科學(xué)概念，得出了預(yù)計(jì)來(lái)壓步距的計(jì)算公式，創(chuàng)造性地建立了淺埋煤層初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，通過(guò)老頂巖塊端角擠壓和端角摩擦的非標(biāo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了頂板結(jié)構(gòu)理論由定性分析向定量分析的轉(zhuǎn)化，形成了淺埋煤層頂板來(lái)壓全過(guò)程的分析與控制理論體系。

課題經(jīng)過(guò)查新和專家綜合評(píng)議，研究達(dá)到處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平。

Ø 技術(shù)要點(diǎn)

1. 基于不同類型的淺埋煤層工作面實(shí)測(cè)，采用關(guān)鍵層理論和基載比，首次定量性地提出了巖層控制意義上的淺埋煤層概念，使頂板控制類型的劃分有了科學(xué)的依據(jù)。

2. 首次通過(guò)非標(biāo)準(zhǔn)巖樣實(shí)驗(yàn)、仿真物理和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，系統(tǒng)地確定了頂板控制定量化分析的關(guān)鍵參數(shù)—老頂巖塊的端角擠壓系數(shù)n和端角摩擦系數(shù)tanф，也推動(dòng)了巖體結(jié)構(gòu)理論分析的定量化發(fā)展。

3. 采用考慮分步開(kāi)挖損傷積累的模擬技術(shù)，提出了初次來(lái)壓的非對(duì)稱破斷現(xiàn)象，并確定了非對(duì)稱比為1：1.5，從而提出了采場(chǎng)老頂初次來(lái)壓的幾何非線性動(dòng)態(tài)“非對(duì)稱三鉸拱結(jié)構(gòu)模型”，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)采場(chǎng)初次來(lái)壓結(jié)構(gòu)模型的空白。

4. 創(chuàng)造性地建立了淺埋煤層老頂周期來(lái)壓的“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。初次來(lái)壓和周期來(lái)壓結(jié)構(gòu)模型的建立，揭示了頂板來(lái)壓災(zāi)害的機(jī)理及其控制途徑，總體上創(chuàng)立了淺埋煤層頂板控制的理論體系。

5. 建立了頂板結(jié)構(gòu)分析的“R—S”穩(wěn)定性準(zhǔn)則，確定了支架工作的“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài)，突破了傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

6. 開(kāi)創(chuàng)了應(yīng)用頂板結(jié)構(gòu)理論進(jìn)行頂板控制定量分析的先例。

Ø 應(yīng)用情況及前景

研究成果在神府礦區(qū)應(yīng)用，99年成功控制了頂板臺(tái)階下沉，年增產(chǎn)400萬(wàn)噸，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益2.8億元。1999～2000年成果還在中美合資南梁煤礦和印度PV煤礦淺埋煤層開(kāi)采論證中得到應(yīng)用。預(yù)期研究成果可在我國(guó)西部黃陵、榆神、彬長(zhǎng)、土哈西部煤田的淺部煤層開(kāi)采中推廣應(yīng)用。此外，研究成果可為地表塌陷及水土流失控制和礦區(qū)地面環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。研究成果的推廣應(yīng)用對(duì)西部開(kāi)發(fā)具有重要意義。

此外，在西部正開(kāi)發(fā)的黃陵、榆神、彬長(zhǎng)等西部煤田的初期主要開(kāi)采淺部煤層，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，應(yīng)用價(jià)值突出，影響面大。

神府東勝礦區(qū)的礦區(qū)型地表荒漠化問(wèn)題己引起國(guó)家關(guān)注，被確定為重點(diǎn)治理區(qū)域，此類地表治理與地下開(kāi)采緊密相關(guān)，頂板巖層破壞規(guī)律與控制的研究將對(duì)于地表生態(tài)重建、再造一個(gè)山川秀美的大西北發(fā)揮積極作用，課題具有廣泛的應(yīng)用前景。