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针对薄及中厚急倾斜煤层长壁综采工作面角度大、设备稳定性差、工作人员安全保障系数低问题,综合采用现场调研、理论分析、相似模拟、数值模拟、现场实测等研究方法,对急倾斜煤层开采相似实验平台、覆岩运动规律及工作面围岩、设备稳定控制机理等进行了系统研究,主要研究结论如下: (1)自主研制了以模型架、旋转系统、承载系统、控制系统和加载系统为主体结构的可旋转急倾斜相似模拟实验系统及可移动水压伺服加载系统,具有能够智能控制模型旋转参数的优点,克服了急倾斜煤层相似模型难以铺设的技术难题,提高了实验数据的可靠性,得出了不同旋转倾角下不同层位煤岩层铺设所需相似材料质量的计算方法,开发了相似模拟配比计算软件,实现了模型架安全旋转及精确跟踪给定压力、均布加载。 (2)理论分析、数值模拟和相似模拟共同揭示了急倾斜工作面煤岩体的非对称性受力和采空区非对称性矸石充填与压实特征,得到了直接顶“耳朵”形承载壳体与老顶破断的倾斜“砌体梁”结构,研究了覆岩结构失稳方式、覆岩受力变形与工作面开采参数之间的相互影响关系、支架-围岩承载特征,确定了急倾斜工作面支架工作阻力、采空区矸石充填带宽度的计算方法,结合急倾斜工作面矿压显现规律验证了其正确性。 (3)建立了急倾斜工作面区段煤柱受力模型,得到了区段煤柱的局部片落-整体滑落失稳方式,即:煤柱下端的塑性破坏区先沿倾斜方向向下片落,宋文洲与石平直至煤柱尺寸不足以支撑上覆岩层时将发生整体滑落。基于急倾斜煤层区段煤柱受力破坏特征,分析了区段煤柱留设尺寸与工作面开采参数的关系,确定了区段煤柱合理尺寸留设方法,揭示了区段煤柱失稳、工作面煤壁片帮、回采巷道变形以及工作面上覆顶板大面积破断的联动失稳机制。 (4)构建了以固定下端头支架组、锚固刮板输送机机尾、分组间隔移架等技术措施为主,支架与刮板输送机铰接连接,以支架为着力点、刮板输送机为连接件、机体相互依托的工作面“三机”动态稳定控制技术体系,确定了急倾斜工作面仰伪斜布置参数,制定了急倾斜工作面煤壁片帮、巷道围岩控制方法,研究了工作面机道、人行道挡矸方法,机道人行道隔离方法,确保了急倾斜综采工作面设备稳定与人员安全。

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