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新疆乌鲁木齐矿区蕴藏着丰富的急斜煤层。水平分段综放开采是矿区目前开采急斜特厚煤层唯一的采煤方法,而大幅度提高分段高度以增加单位推进度的煤炭产量,是发展急斜千万吨矿区的主要技术途径。段高提高后面临两个关键问题:一是如何科学合理地选择段高;二是顶煤能否充分破碎以满足放出要求。前者影响到顶、底板岩层运动规律、工作面矿压显现有无异常、是否存在和如何避免围岩大范围垮落的危险等问题;后者关系到顶煤的破坏冒放规律如何,可否有效放出,如何通过工程技术措施控制顶煤的破碎度以满足放出要求。本文通过实验室研究、理论分析、数值模拟实验以及工业性试验的方法,针对急斜综放工作面上述关键问题进行了深入系统研究。 针对急斜煤层水平分段综放开采的特点,将沿倾向初次破断后的基本顶视为三边固支一边自由,受纵横荷载共同作用的斜置矩形板力学模型。根据板中纵横荷载相互作用、相互耦合的非线性特性,应用Kirchhoff薄板和平面弹性理论,考虑中面内力对弯曲的影响,依据最小势能原理,将四阶非线性非齐次偏微分方程的边值问题转化为能量原理的形式,在边值问题等价性前提下,得到了挠度、应力的解析表达式及其随影响因素的演化途径。研究了基本顶变形发展规律和强度破坏特征,指出在急斜煤层岩层控制中,煤层倾角存在介于55o~65o之间的临界区域;顶板厚度t>4m可作为急斜煤层关键层的几何特征;基本顶的挠度随着开采深度的不断延伸而增大,但增幅递减;合理的水平分段高度既可满足生产的需求,又能有效控制顶板的变形,并给出了计算确定方法。 基于合理段高的前提下,提出顶煤动态放出过程中沿倾向存在最不利结构力学模型,将其简化为左右两边固支、下部自由、上部受均布荷载作用的平行四边形板。采用应力变分方程代替相容条件,将弹性力学基本方程的边值问题变为求泛函的驻值问题。根据顶煤的边界形状和受力情况,通过反复试设,不断修正,确定了平行四边形板中满足相容方程的应力函数,并使其给出的应力分量满足应力边界条件。通过对第一主应力影响因素的研究发现:对于一定煤体强度而言,顶煤的冒放性随煤层倾角增大而提高;随水平分段高度的增大而降低,但影响较为有限;随着工作面长度的增大呈非线性增长,而且增速逐渐加快。 首次提出了顶煤体沿倾向进行分区的观点,将急斜煤层沿倾向方向顶煤体划分为拉破坏区、拉损伤区、弹性区和压剪损伤区四个分区。指出随着段高的增加,拉破坏区逐渐减小,但减小幅度不大,拉损伤区、弹性区和压剪损伤区均呈现不断加大的趋势,表明顶煤放出的难度在不断增加;拉损伤区、弹性区沿着过煤体几何中心的垂线方向发展。进一步研究表明顶煤体中形成稳定冒落拱的力学机理是由于随着冒落的不断发展,直至拱券内仅有压应力时达到稳定平衡。提出实施顶煤弱化工程应重点针对滞放关键域进行,兼顾处理底板侧煤体,使顶煤冒落拱形态由全拱形向半拱形扩展,将既有助于拱券以上煤体的破坏发展,又有利于减少底板侧三角煤损失。 在以上研究成果的基础上,通过实验室实验、数值模拟实验、工业性试验的方法,确定了苇湖梁煤矿限量保压注水弱化滞放核心域工业性试验技术方案,并取得了良好的效果。本课题的研究对于乌鲁木齐矿区急斜煤层大段高工作面安全高效开采有积极的指导意义,对于赋存类似煤层的国内外其它矿区也有一定的借鉴意义。