超大采高液压支架与围岩的强度耦合关系

摘要

本文以金鸡滩煤矿8.0m超大采高综采实践为工程背景，采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法，分析了埋深较浅厚基岩超大采高工作面矿山压力显现特征，提出了液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系，重点研究了液压支架与顶板岩层、煤壁的强度耦合关系，提出了8.2m超大采高工作面围岩稳定性控制关键技术，并进行了超大采高工作面矿山压力监测及液压支架适应型评价，取得以下主要研究成果： （1）超大采高工作面矿山压力显现具有明显的动载矿压与大小周期来压现象，传统的液压支架工作阻力计算方法难以适用于超大采高工作面；顶板岩层对液压支架的载荷可分为静载荷与动载荷，液压支架应不仅具有合理的支护阻力，还应具有一定的可缩性，将液压支架与围岩的耦合关系细分为强度耦合、刚度耦合与稳定性耦合。 （2）基于超大采高工作面不同层位顶板岩层的应力路径效应分析结果，建立了超大采高工作面顶板岩层断裂失稳的“悬臂梁+砌体梁”结构力学模型，分析了超大采高工作面顶板岩层断裂及液压支架响应的能量积聚-释放-传递-响应过程，将亚关键层2视为模型的边界条件，建立了液压支架与围岩的强度耦合动力学模型，分析了顶板岩层断裂失稳及液压支架支护响应的动力学全过程，得出了液压支架适应顶板断裂失稳的支护阻力判据与计算方法。 （3）基于超大采高工作面煤壁破坏的应力路径效应分析结果，分析了硬煤煤壁的主要破坏形式，将煤壁片帮细分为煤壁发生破坏与煤壁破坏体发生滑落失稳两个过程，建立了超大采高工作面煤壁片帮的“拉裂-滑落”力学模型，得出了煤壁破坏深度、宽度与工作面采高、煤体强度的关系式，以及液压支架抑制煤壁片帮应具有的临界护帮力，通过进行煤壁片帮的单目标多因素敏感性分析，得出了煤壁发生破坏及煤壁破坏体发生失稳的主要影响因素敏感性排序，提出了超大采高工作面煤壁片帮防治措施。 （4）基于超大采高液压支架与顶板、煤壁的强度耦合关系研究结果，提出了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法，进行了不同超大采高液压支架架型、护帮结构的力学特性对比分析，研究了超大采高液压支架结构强度失效的力学机理。 （5）针对金鸡滩煤矿8.0m超大采高工作面煤层赋存条件，设计采用了大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构，进行了超大采高工作面矿山压力现场监测，提出了基于支架与围岩耦合关系的超大采高液压支架适应性评价方法，经过现场观测与评价，验证了ZY21000/38/82D型超大采高液压支架能够满足工作面支护要求。 论文附图105幅，附表19幅，参考文献158篇。

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