三软煤层大采高工作面液压支架承载规律与适应性研究

摘要

淮北矿区煤层的地质赋存除了呈现为三软的特征之外，大部分煤层还存在厚度变化大、走向和倾向角度大，工作面开采过程中存在支架钻底、顶板冒、漏和煤壁片帮、支架稳定性差等问题，是目前困扰淮北矿区此类煤层赋存条件下开采的主要困难。本文以芦岭矿Ⅱ883-1工作面为研究背景，综合运用现场调研、理论分析、数值模拟、现场实测等研究方法，对工作面支架承载规律及支架适应性等进行系统研究，主要结论如下： （1）通过现场实测数据得到工作面上、中、下部老顶初次来压步距和周期来压步距、来压期间工作面支架平均工作阻力以及支架动载系数，分析得出工作面中部支架承载较大，来压较为明显。支架立柱统计数据表明：工作面支架初撑力普遍较低，中部支架工作阻力大于30 MPa的频率远大于上、下部支架，同样说明工作面中部来压比较强烈；支架受载呈“非均衡性”，前后立柱工作阻力差别较大，前柱明显大于后柱。 （2）针对工作面支架承载不均衡和底板松软引起的工作面开采过程中支架钻底现象，建立工作面液压支架平面受力分析模型结合现场实测支架结构参数，计算得到支架达到额定工作阻力时支架上覆岩层压力，作用点位置及支架底座受集中力状况，据此采用塑形底板理论和Winkle弹性理论分别研究了底板比压分布规律和底板沉降位移规律。 （3）研究了影响软煤底板承载的主要因素，理论分析得出支架钻底深度对底煤临塑载荷的影响很小，临塑载荷的最主要影响因素是底煤内聚力；数值模拟结果表明：底煤抗拉强度对底煤承载能力的影响较小，底煤弹性模量的增加能够增加底板承载力，底煤的内聚力和内摩擦角是影响底板承载能力最关键的因素，得出了满足底煤不发生破坏的最小内聚力和内摩擦角。 （4）模拟软煤底板抗压入过程，研究软煤底板承载演化规律，得出底煤最大破坏深度发生在支架底座的两侧，除了在底煤深部产生较大的塑性区，塑性区在底煤浅层向周围的传播范围更大，提出了在支架前方人工卧底配合垫木料的措施来保证支架顺利前移，同时根据工作面开采条件选择了最优的木料布置方案。 （5）采用数值模拟的方法研究了端面距、支架护帮力、工作阻力和二级护帮板对煤壁稳定的影响规律，得出提高支架护帮力、保证支架工作阻力和采用二级护帮板可以有效缓解壁片帮问题，同时对支架工作阻力验算表明该支架能够满足支架承载上覆岩层压力。 （6）考虑工作面走向仰（俯）采角度和工作面倾角的共同影响，研究了支架在自由状态和工作状态下的稳定性，同时对工作面回采期间曾发生的支架歪架事故原因进行分析，并提出了相应的支架防倒防滑技术措施。

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