许永祥等：特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

创新点

在支架-围岩支护系统强度、刚度和稳定性“三耦合”控制理论的基础上，从液压支架结构和围岩结构相互关系角度研究特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系，阐述了近场围岩“小结构”初次耦合主动支撑和远场围岩“大结构”二次耦合被动承载的耦合关系，探讨了液压支架结构（尤其是放煤机构结构）对坚硬顶煤冒放结构和形态的影响，通过液压支架结构的优化使支架结构与围岩结构及顶煤冒放结构相适应性，从而促进采放协调、提高资源开采效率和采出率。

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作 者

许永祥^1,2,王国法^1,2,李明忠^1,2,张金虎^1,2,韩会军^1,2

1.煤炭科学研究总院 开采研究分院；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部

摘 要

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。

从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统“小结构”初次耦合主动支撑和“大结构”二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩“大、小结构”耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响。

指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足“小结构”支护系统适应“大结构”周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。

采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响。

研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。

许永祥，男，1987年11月生，河南许昌人。煤炭科学研究总院2015级采矿工程专业博士研究生，导师为王国法院士，依托培养单位为天地科技股份有限公司开采设计事业部装备技术研究所。

研究方向

长壁综采工作面开采技术与装备、矿山压力与围岩控制理论

主要成果

参与“十三五”科技部重点研发计划“千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及示范（2018YFC0604500）”和“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术（2017YFC0603000）”等课题10余项，发表多篇专业论文，其中EI检索3篇，获省部级二等奖1项。

部分图片

支架-围岩结构耦合系统

工作面围岩“大、小结构”示意

初撑力不足顶板沿煤壁切落

顶板“大结构”来压时发生压架事故

特厚煤层超大采高工作面支架-围岩耦合示意

顶板覆岩载荷分析

ZFY21000/35.5/70D两柱强力放顶煤液压支架

千树塔煤矿综放工作面顶煤冒放状态

顶煤小块散体冒放结构

受重力和均布载荷的悬臂梁力学模型

PFC模拟硬煤顶煤冒结构

支架结构高度(采放比)对顶煤块度和冒放性的影响

不同支架结构高度放煤口尺寸对比

载荷估算法确定的工作面采高与支护强度关系

高位、中位、低位放顶煤支架及顶煤冒放结构示意

冒落顶煤成拱示意

三级放煤机构与二级放煤机构对比

增强型破煤结构

支架尾梁摆动破拱破煤示意

锥形强力破煤结构示意

楔状刚体冲头的压入模型

裂纹尖端劈裂张拉破坏示意

楔形体破煤试验及数值模拟效果

许永祥,王国法,李明忠,等. 特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系[J]. 煤炭学 ,2019,44(6):1666-1678.

XU Yongxiang,WANG Guofa,LI Mingzhong,et al. Structure coupling between hydraulic roof support and surrounding rock in extra-thick and hard coal seam with super large cutting height and longwall top coal caving operation[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(6):1666-1678.

审 核：常琛 毕永华

End

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