短壁综放开采顶板破断致冲与控制机理

Massive coal pillars are left at the underground in the old mining areas (such as Datong, Kailuan) after the High-Intensity mining for decades. The boundary conditions are complicated in the short pillar face and the isolated coal pillar can contain a large amount of elastic deformation energy, the broken roof can easily cause the dynamic pressure damage. Based on the irregular movement law of the strata in the short pillar face in the second mining condition, this research focus on the analysis of the relation between the shield and the surrounding rock; establish the fracture model of the roof in short wall top-coal caving and study the mechanism of the roof fracture and dynamic pressure; conduct the analysis on the narrow coal pillar set in the short wall face and study the mechanism of the coal pillar’s fracture and broken and the influence on support pressure caused by the width of the coal pillar. This research adopts the presplitting blasting method to alleviate the dynamic pressure and control the failure coal wall and pillar. The dynamic pressure damage can be effectively prevented and the coal resource in short pillar face can be extracted effectively and safely.

本项目针对我国老矿区（如大同、开滦等）经过多年高强度开采后遗留下的大量煤柱资源，以及短煤柱工作面开采过程中顶板边界条件复杂、孤立煤层中存储有大量弹性变形能、顶板破断易引发大范围动压灾害等特点，基于二次采动影响下短壁工作面顶板的非常规运动形式，分析短壁综放条件下上覆岩层移动规律及支架-围岩关系；建立短壁综放顶板破断力学模型，研究短壁工作面顶板断裂形态及失稳致冲机理；进行短壁工作面留设窄小煤柱的可行性分析，研究二次采动影响下窄小煤柱破坏形式和失稳机理，以及煤柱宽度对短壁工作面支架阻力的影响，给出短壁综放开采窄小煤柱留设合理尺寸的确定方法；研究采用坚硬顶煤预裂方法缓冲顶板动载冲击，实现短壁综放采场动力灾害的有效防治，实现短壁煤柱工作面安全高效高资源回收率综放开采。

针对目前一些矿井在回收边界煤柱、保护煤柱等遗留煤炭资源过程中，面临短壁开采工作面矿压显现复杂，顶板破断特征特殊且易发生顶板冲击事故，并且煤柱留设困难，采用理论分析、数值模拟、相似模拟等方法开展研究，取得了如下成果：.（1）开展了覆岩移动相似材料试验和底摩擦实验，发现了采场上覆岩层的破坏首先由工作面两侧采空区未垮落的顶板开始，逐步向工作面上方顶板延展，当工作面上覆岩层在下滑力逐渐增大到大于工作面顶板的节理面摩擦阻力时，顶板中裂隙迅速扩展，上覆岩层发生断裂并随顶板结构失稳后向已采空间内垮落。.（2）构建了基本顶破断力学模型，分析了复采综放孤岛工作面上覆岩层从“顶板中心-已采简支边-推进固支边”、先半“X”后完整“X”的动态破断演化规律，得到了短壁工作面采场顶板破断的“X-O”型破坏模式。.（3）分析了短壁工作面窄小煤柱破坏机制与留设尺寸，揭示了不同煤柱宽度条件下采场应力分布规律，得到了不同宽度条件下煤柱的失稳破坏机制，确定了短壁工作面煤柱留设的合理宽度。.（4）分析了支架-围岩关系及端头放煤、放煤步距、采放比对顶煤放出和回收率的影响，发现了接触力场随工作面支架放煤呈现出“先密后疏再密”的趋势，研究了端头放煤对采出率和巷道稳定性的影响，优化了端头不放煤支架留设方案。.（5）分析了“棕绳-注浆”全长锚固效果，获得了能有效控制短壁综放工作面煤壁片帮与提高窄小煤柱稳定性的技术。.项目研究结果为短壁工作面安全开采和煤柱稳定性控制提供了理论与技术支撑，对提高煤炭资源回收率、保障安全生产具有重要意义。