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随着东部煤炭资源逐渐匮乏,西部煤炭资源地区已逐渐成为我国主要产煤区域,由于西部矿区煤层埋深浅,基载比小,采场顶板矿压显现有其特殊规律,目前关于浅埋薄基岩厚松散层的顶板研究相对较多,而关于浅埋弱胶结顶板破断结构及其运动规律研究相对甚少,并且弱胶结岩层在西部矿区也比较普遍,因此,确定浅埋弱胶结顶板破断规律及其控制对西部浅埋煤层安全开采具有重要的研究意义和价值。 本文首先使用SEM扫描电镜对东西部矿区相同岩性岩体细观结构进行观测,揭示了东西部矿区相同岩性岩体细观结构的不同;其次,利用UDEC数值模拟,考察了浅埋弱胶结顶板破断结构及其运动规律,建立了浅埋弱胶结顶板破断结构模型,推导了不同开采阶段液压支架工作阻力计算公式;最后,结合高家梁煤矿20107回采工作面的地质及开采状况,验证本文提出的弱胶结顶板来压期间液压支架支护强度计算公式。 本文获得的主要研究成果如下: (1)通过SEM电镜扫描技术对东西部矿区顶板岩层的泥岩和粗粒砂岩试样的微观扫描实验,对比分析东西部矿区相同岩性岩体细观结构的不同,结果表明西部矿区的泥岩微观颗粒松散絮状堆积排列,东部矿区泥岩微观结构则更整齐颗粒成鳞片状,丝状排列,结构相对致密;西部泥岩结构更易破断黏结成结构;西部粗粒砂岩微观颗粒呈蓬松羽绒状,结构松散,东部矿区粗粒砂岩微观颗粒棱角明显,结构致密,西部矿区粗粒砂岩岩层更易破断,但存在一定的胶结性。 (2)使用UDEC数值模拟软件,对浅埋煤层不同开采阶段上覆弱胶结顶板的破断及运动规律进行了研究,结果表明:随着工作面开采,在弱胶结直接顶垮落过程中,上位部分岩层会重新胶结成“类基本顶”结构,“类基本顶”与其上中硬岩层构成的基本顶间形成离层;随工作面继续推进,基本顶断裂后会产生动力冲击,而“类基本顶”对该动力冲击具有缓冲作用,减小了基本顶来压时对支架动力冲击。 (3)建立了浅埋弱胶结顶板破断结构模型,并阐述了液压支架初次来压期间顶板岩层的三个运动阶段,即直接顶垮落阶段,“类基本顶”形成阶段,基本顶动力冲击阶段,推导了各阶段液压支架工作阻力计算公式分别为: 直接顶垮落阶段支架工作阻力A mγ=zz(1+;) L k s L γ“类基本顶”形成阶段支架工作阻力2(1)s L M c P mγ=E Ezz++;L k K L T K γ(1) L2γ基本顶动力冲击阶段支架工作阻力M c1 F m=++s E E+γhc g(1?sin2)2μθ。合zz L k K L T K (4)通过理论分析,建立了周期来压期间浅埋弱胶结顶板破断对液压支架受力分析模型,得出了液压支架工作阻力的计算公式: =∑+G iγLtg(θ)γp h[2]和Y G A=+M C E22(M S L1 E A) k2 (5)通过对高家梁煤矿20107回采工作面进行液压支架工作阻力观测和钻孔电视探测,得到了液压支架在初次来压期间三个阶段的工作阻力区间以及上覆顶板弱胶结岩层层数和厚度,结合现场地质和开采资料计算得出了20107工作面弱胶结顶板来压期间液压支架支护强度,并与实测数据对比,结果基本一致。