【摘要】：以大傾角大采高綜采為背景,通過(guò)理論分析、相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),對(duì)大傾角大采高綜采基于工作面傾向長(zhǎng)度尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的圍巖災(zāi)變機(jī)理進(jìn)行了分析,研究認(rèn)為大傾角煤層直接頂和基本頂運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)性使得控頂難度加大,工作面直接頂沿傾向可分為充填穩(wěn)定段、易潰屈段和滑移段結(jié)構(gòu),相應(yīng)礦壓顯現(xiàn)特征則呈現(xiàn)典型的"弱—強(qiáng)—弱"分布,即潰屈段為礦壓顯現(xiàn)最強(qiáng)烈區(qū)域,也是影響礦壓顯現(xiàn)的主控因素,對(duì)于特定賦存條件大傾角煤層,其工作面長(zhǎng)度存在"臨界尺寸",工作面支護(hù)強(qiáng)度的確定除滿足直接頂巖層巖法向方向的自重和部分基本頂載荷外,還需滿足上部直接頂滑移產(chǎn)生的附加載荷,其中阻止?jié)⑶雾敯宓碾x層是支護(hù)強(qiáng)度確定的主要依據(jù)。
【圖文】：

(α-β)2(h+m)式中,l為工作面傾斜長(zhǎng)度,m;h為直接頂厚度,m;m為工作面割煤高度,m;k為直接頂巖層碎脹系數(shù);α為煤層傾角,(°);β為采空區(qū)下部冒落矸石堆積安息角,(°)。當(dāng)較大傾角條件下開(kāi)采,割煤高度較大尤其是大采高綜采時(shí),一次采出煤體較多,頂板擾動(dòng)范圍大,垮落的采空區(qū)矸石大量滑移至下部采空區(qū),一定程度上減緩了工作面下部礦壓顯現(xiàn)程度,但臨近下部的工作面中部一方面承受自身載荷另一方面接受來(lái)自工作面上部頂板的滑移載荷,成為控頂薄弱環(huán)節(jié)。圖1大傾角大采高工作面直接頂受力模型Fig．1Immediateroofstressmodelinlargeminingheightanddipangleworkingface2頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析若將大傾角工作面直接頂支架控頂區(qū)域沿傾向方向視為三邊固支、一邊簡(jiǎn)支的矩形薄板,按彈性理論,其下沉曲面微分方程為D4w-Fx2wx2+2Fxy2wxy+Fy2wy2è=N式中,D為薄板彎曲剛度;N為橫向荷載;Fx,Fy分別為薄板x,y方向縱向力;Fxy為薄板剪切力;w為板的撓度函數(shù)。由于長(zhǎng)壁工作面頂板沿傾向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于沿走向方向,因此將大傾角工作面直接頂支架控頂區(qū)域沿傾向方向視為“彈性板梁”,將工作面頂板沿傾向按3段式劃分,分別為l1(滑移段),l2(潰屈段),l3(充填段),如圖1(a)所示。把充填段視為梁的固支端,按彈性板梁彎曲理論[14-15],建立潰屈段頂板(l2)力學(xué)模型:d2dx2EId2ydx2è+(T+γhxsinα-FSx)d2ydx2-q1dydx=γ

61,泊松比相似Cμ=1。結(jié)合工作面綜合柱狀圖,共模擬煤巖層20層,模型模擬煤層傾角39°,煤厚度0．042m,模型長(zhǎng)度2．5m,寬0．3m,垂高1．5m。部分上覆巖層對(duì)模型施加的垂直應(yīng)力采用0．1m×0．05m×0．12m配重鐵塊加載的方式模擬。采用壓力盒進(jìn)行模型內(nèi)部應(yīng)力采集,測(cè)點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)100個(gè),采用多通道快速巡檢模式,壓力盒數(shù)據(jù)通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行快速匯總采集,巡檢1次所需時(shí)間小于1s。(1)工作面潰屈段分布。相似模擬工作面長(zhǎng)度分別為l=50,80和100m,如圖2所示,工作面上部采空區(qū)由于垮落矸石向下部移動(dòng),位移量較大,工作面下部由于充填作用,位移量較小。工作面長(zhǎng)度分別為50,80和100m時(shí),直接頂最大下沉量分別為13,18和22mm,最大下沉點(diǎn)距工作面上巷的距離分別占工作面總長(zhǎng)度的40%,22%和16．7%。由圖3還可以看出,當(dāng)工作面長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí),工作面中部開(kāi)始出現(xiàn)潰屈,其長(zhǎng)度隨著工作面長(zhǎng)度的增加而增加。圖2不同工作面長(zhǎng)度的頂板垮落結(jié)構(gòu)Fig．2Cavingstructureofroofindifferentlengthofworkingface(2)工作面傾向荷載特征。將高穩(wěn)定性應(yīng)變片埋入煤層底板砂質(zhì)泥巖中,應(yīng)變片的間距為0．1m,應(yīng)變片電阻為(120±0．1)Ω,靈敏系數(shù)為(2．08±1)%。使用DH3816靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀全程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)壓時(shí)工作面長(zhǎng)度方向荷載變化。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,大傾角沿工作面傾斜方向,荷載強(qiáng)度整體呈現(xiàn)“小值—大值—小值”規(guī)律,如圖4所示。對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,工作面長(zhǎng)度分別為583

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