浅埋煤层大采高综采工作面顶板结构及支架载荷研究

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陕北浅埋厚煤层储量丰富,大采高综采技术应用普遍。近年来随着采高不断加大,工作面采用的支架架型不断增大,支护成本迅速增加,合理支护阻力的确定尚缺乏科学依据,严重制约着煤矿的安全、经济开采。研究浅埋煤层大采高综采面顶板结构,揭示工作面来压机理,确定合理的支护阻力,具有重要的理论与现实意义。本文通过对典型浅埋煤层和近浅埋煤层5~7m采高工作面实测数据的分析得出,支架工作阻力随采高加大而增大,尤其当采高达到6.8m时,工作阻力急剧增加;动载系数主要分布在1.4左右。近浅埋煤层来压时支架载荷存在明显的大小周期性变化,大周期来压步距一般是小周期来压步距的两倍。。通过物理模拟、数值模拟,对典型浅埋和近浅埋煤层大采高工作面顶板破断规律的实验研究得出,随采高的加大等效直接顶厚度增大,顶板结构铰接点上移,厚等效直接顶破断具有一定的滞后性,呈“悬臂式”破断,等效直接顶悬伸、破断交替出现,支架平时的静载较大。典型浅埋煤层覆岩主要为单一关键层,顶板形成“高位斜台阶岩梁”结构;近浅埋煤层一般为双关键层,下组关键层形成“下位斜台阶岩梁”结构,上组关键层形成“上位砌体梁”结构,双关键层结构的运动是导致大小周期来压的根本原因。等效直接顶对采空区的充填程度一般可分为充分充填型和一般充填型,形成的近浅埋煤层顶板结构分为“双砌体梁”结构和“斜台阶岩梁-砌体梁”结构,后者为近浅埋煤层采场主要类型。通过顶板结构分析得出,典型浅埋煤层大采高工作面等效直接顶静载占支架载荷比例较高,为60%~65%,导致工作面非来压期间的支护阻力较大,工作面应保持合理的支架初撑力,初撑力以控制等效直接顶载荷为依据;揭示了近浅埋煤层大采高综采面双关键层结构同步运动导致大周期来压,下组关键层结构单独运动导致小周期来压的机理,近浅埋煤层工作面合理支护阻力以大周期来压计算为准。最后,给出了工作面支架合理初撑力及工作阻力的计算公式,并通过实例验证了计算公式的可靠性,为类似工作面顶板控制和支架选型提供依据,保障了浅埋煤层的安全经济开采。
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