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2021年第11期
2021-11-22
75

薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

  • 作者:

    李锋
    杨胜利
    李政岱
    杨文强
    杨敬虎
    陈肖龙
  • 关键词:

    薄基岩
    突水溃砂
    滚动摩擦
    顶板切落
    水砂通道
  • 作者单位:

    国能神东煤炭集团有限责任公司
    中国矿业大学(北京)能源与矿业学院
    放顶煤开采煤炭行业工程研究中心
    中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院

摘要

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摘要:

煤层一次采出厚度变大,导致直接顶冒落高度增加,并且在薄基岩条件下,顶板破断后不容易形成稳定的结构。顶板破断容易导致工作面突水溃砂灾害的发生,严重影响工作面的生产。为了揭示薄基岩、厚松散岩层在高强度开采条件下突水溃砂和顶板切落并发灾害机理,利用自主研发的顶板动压与突水溃砂试验平台进行了相似模拟试验,以锦界煤矿31406综采工作面为工程背景,试验采用平面应变模型,选取几何相似比为100∶1,结合辅助红外成像仪和超声波探测器等获取了顶板破断时能量的聚集与耗散特征以及裂隙的发育特征。试验结果表明:顶板发生超前破断时,同一岩层产生竖直贯通裂隙,在层理处因岩层强度和厚度不同容易产生“错动”裂隙;突水溃砂和顶板切落并发时产生了明显的动载冲击现象,支架工作阻力会有明显增加,引起压架和工作面发生突水溃砂事故;基于滚动摩擦基本原理建立了滚动摩擦力学模型,揭示了水砂涌入裂隙后导致块体产生滑落失稳的力学机理;水砂体由贯通裂隙进入顶板结构,原有滑动摩擦向滚动摩擦转化,显著降低块体间摩擦力,使顶板产生滑落失稳。结合试验和理论分析得到及时移架,增加支架初撑力,加快工作面推进速度等可以降低突水溃砂和顶板切落灾害发生的概率。

  • 岩块咬合点处的平衡
  • 局部滚动摩擦受力分析
  • 滚球滚动摩擦受力分析示意
  • 支架工作阻力随推进距离变化
  • 支承压力随推进距离变化
  • 压力盒位置
  • 突水溃砂和顶板切落引起煤壁片帮灾害
  • 水砂通道结构
  • 超声波测试结果
  • 超声波测点布置
  • 推进180 cm顶板破断情况
  • 推时60~130 m顶板破断形态
  • 含水层布设
  • 多参量采集仪器
  • 高强度电液压加载与应力采集系统
  • 二维顶板动压与突水溃砂试验平台
李锋,杨胜利,李政岱,等.薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究[J].煤炭科学技术,2021,49(11):125-133. LI Feng,YANG Shengli,LI Zhengdai,et al.Experimental study on disaster of water-sand inrush and roof cutting in working face with thin bedrock roof [J].Coal Science and Technology,2021,49(11):125-133.

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