第1章绪论
1.1研究的背景和意义
2014年早期，据有关统计数据指出，我国在2012年共出煤36.5亿吨；明确指出，我国将长期以煤炭为主要能源⑴；相关报告指出我国2050年煤炭产量要在50亿吨以下[2]；如图1能源分布，且相关规划称到今年，要能够供应标准煤43亿吨，且出煤量要控制在39亿吨以下，同比2010年采煤更加安全高效，机械化程度得到提高[3]。因此我国相比其他国家煤炭的消耗量要大很多。所以安全，高效，绿色的煤炭开采已经成为当前和今后所有采矿科研专家努力的方向。由于易采煤炭的枯竭，剩下的都是难于开采的地质情况，所以将使煤炭开采的难度加剧[4]；类似的有顶板难以冒落而导致顶板大面积悬空的厚硬顶板15]。相比较国外的煤层地质条件，我国的更为复杂，有接近30%的坚硬顶板，所以其煤层的开采的覆岩破断形式和来压特征要明显区别于其他普通顶板的煤层[6]。由于厚硬顶板的特殊性，容易导致在来压阶段发生事故。如淮北朱庄矿II646综采工作面的厚硬顶板如果不采取强制放顶，会出现大面积悬顶的现象，从而造成冒顶事故，进而造成严重的损失。例如贵州木冲沟煤矿41107工作面，于2004年采空区直接顶及老顶大面积冒落，导致瓦斯超限，导致该面停产。因此对厚硬顶板控制技术的研究工作就更为重要。通过潘二矿大采高厚硬顶板11223工作面的开采，研究大采高厚硬顶板工作面矿压显现规律、覆岩移动规律，进而得到更好的开采参数，对工作面的幵采提供可靠的理论依据。
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1.2大采高厚硬顶板工作面研究现状
中国矿业大学高存宝等人结合实际与理论分析确定了在复合型坚硬顶板条件下合理切项力的方法[14]。原山东矿业学院的姜福兴教授对5种顶板结构模型的动力效应进行了研究，并得出了计算公式[15]。原阜新矿业学院的刘成丹等人对北京矿务局大安山矿机采面的矿压规律进行研究分析[16]。1996年吴德成等人给出了急倾斜水采面坚硬顶板断裂机制及相关参量的数理关系[17]。煤炭科学研究总院闫少宏等学者用实验验证了自己提出的注水坚硬顶板的方法的研究成果，开辟了控制坚硬顶板的新途径[18]。太原理工大学魏钵平等学者结合实际情况得出了支架工作阻力的计算方式，为工作面支架选型提供了理论依据，消除了冲击隐患[191。中国矿业大学窦林名教授揭示了顶板运动对矿压影响的重要性，通过对顶板运动的观测矿压减少矿压危险。2004年山东科技大学的学者史红等人利用两端嵌固梁力学模型和岩层中应力场的分布，对厚层坚硬顶板的破断规律进行分析，研究得出了 3种破坏方式的力学判断方法[21]。山东科技大学刘传孝教授的研究表明，坚硬顶板运动系统除了在初次冲击性跨落阶段外，在其它阶段都是处于孕育变化的混纯状态。中国矿业大学方新秋、窦林等研究人员结合现场实际情况研究了冲击矿压在坚硬顶板中的显现问题，揭示了在实际情况下的冲击矿压与煤岩性质、坚硬顶板厚度、采深及顶板周期来压特征有着密切的关系。中国矿业大学的牟宗龙教授结合现场实际与数值模拟，给出了解决坚硬顶板又一方法一爆破[24]。李新元等人同过理论分析，得出坚硬顶板能量分布的理论解。沿着工作面的逐渐推进，坚硬顶板断裂的发生会在最大弯矩处，反弹、压缩现象发生在断裂两侧。靠煤壁越近，能量的集聚越多，断裂后释放的能量也越多[25]。
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第2章不同采高厚硬顶板采场矿压分布特征
2.1 FLAC3D软件介绍
大采高工作面厚硬顶板条件下，顶板支护难度大。为了优化大采高工作面厚硬顶板条件下，采场顶板控制技术，保证大采高工作面厚硬顶板条件下的工作面安全高效回采，需要对大采高工作面厚硬顶板条件矿压显现规律进行分析研究。本章利用数值模拟方法对11223工作面矿压显现规律展开研究，采用有限差分软件 FLAC3D (Fast Lagrangian Analysia of continua)在数值计算的巨大优势，依据淮南矿业集团潘二煤矿11223大采高工作面厚硬顶板条件下，对不同采高、不同推进距离采场围岩应力分布特征进行分析研究。FALC3D 是 Fast Lagrangian Analysia of continua 的简写，由美国 Itasca 公司幵发的，是国内和国外通用的岩土工程分析软件。FALC3D拥有有强大的计算功能和丰富的模拟能力，特别是在大变形问题的研究更加拥有独一无二的优势。对于提供了岩土体及支护体系的各种本构模型和结构单元的软件更突出了 FLAC的专业特性，能够更好的延伸和扩展分析人员的认知范围，可以为分析人员认识岩土体内部的破坏机理提供了更有效的可视化手段。
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2.2模拟地质条件
本次数值分析以淮南潘二煤矿11223大采高工作面厚硬顶板工作面为研究对象，11223工作面为突出煤层工作面，且为A组煤首采面。该块段3煤层厚度变化大（厚度2.09?9.17m，平均5m)，在东起东一 A组煤回风上山，西至11223底板巷中段放水石门以西40m，3煤内部存在夹奸现象，夹奸厚度为0.2?1.5in，1煤厚3.21?6.5m，平均厚3.5in，3煤与1煤层间距平均1.5m。11223工作面煤层倾角平均为15°，可采储量163.8万吨。根据潘二 11223工作面条件建立如图5所示的数值计算模型。整个计算模型范围为400inx300mx240m (XxYxZ)，为消除模型边界对计算结果的影响，在工作面两侧各留60m煤柱，在推进方向左侧预留60m煤柱。模型底边界垂直方向位移固定，左右边界水平方向位移固定。本次模拟的11223工作面，顶板为厚硬顶板，属于典型的大采高厚硬顶板工作面，为更加深入研究大采高薄层松软破碎顶板工作面在不同采高，顶板围岩应力及上覆岩层垂直位移分布特征，模拟时采高分别取3m、5m、7m,工作面长度为180m，每个时步推进30m，共推进6次，第7次推进60M，每步计算的最大不平衡力与典型内力的比率小于10_5，本构模型选用典型的Mohr-Coulomb弹塑性理论模型。
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第3章大采高厚硬顶板控制分析.......... 32
3.1强制放顶的方式.......... 33
3.2深孔超前松动爆破力学模型.......... 33
3.3工程实况.......... 34
3.4强制放顶技术方案.......... 35
3.5结论 ..........40
第4章大采高厚硬顶板工作面来压特征.......... 41
4.1 矿压观测的目的.......... 41
4.2 观测主要内容.......... 41
4.3工作面矿压显现特征.......... 44
4.4巷道围岩变形测试成果分析.......... 58
4.5顶板稳定性影响因素 ..........61
4.6顶板稳定性管理措施.......... 62
4.7主要结论.......... 62
第5章液压支架适应性研究 ..........64
5.1支架类型.......... 64
5.2顶板类型及运动规律.......... 64
5.3 11223工作面支架合理工作阻力的确定.......... 64
5.4支架运行情况分析.......... 66
5.5支架适应性评价.......... 68
5.6 主要结论.......... 69
第5章液压支架适应性研究
液压支架是工作面正常开采的关键设备,大采高厚硬顶板的液压支架的适应与否直接关系到工作面的开采效率。厚硬关键层的控制方法主要有厚硬岩层钻孔爆破法、高压注水软化法、留保护煤柱法等。结合11223工作面地质条件厚硬顶板的控制采用爆破法，将在下章阐述。下面主要讨论在提前爆破弱化顶板结构的情况下，11223工作面液压支架的适应性。液压支架必需的支撑能力应根据直接顶和基本顶的力学特性和运动特点确定。由于该工作面顶板为厚硬顶板，且在开采钱进行了提前爆破，其顶板运动有其自身特点。当工作面推进到一定的距离后，顶板在控顶区上方断裂，并向采空区回转,然后与已跨落在采空区的岩块挤压，形成半拱式平衡。由表中可以看出，工作面支架初撑力合格率较低，一般前柱比后柱压力大，18#分机左右的支架压力较大，初次来压时应该在18#分机处老顶断裂。且工作面压力不均匀，中上部和中下部压力较大。由于采场内煤壁支撑影响角以及回采工作面的不断推进，不可能控制老顶的回转，所以老顶的回转变形为给定变形，支架的工作和承载状况受围岩的运动影响，而支架的工作状况对顶板的维护效果起到影响。从8月22日开始割煤起算，推进距离小于14m时，支架大多处于初撑状态，推进距离大于14m后均为一次增阻或多次增阻。因为液压支架后柱的初撑力普遍较低，使得支架前柱阻力上升、后柱阻力下降的情况经常出现。另外，部分降阻情况可能是由于漏液、初撑力升得不够及现场操作所致。
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结论
大采高厚硬顶板工作面的开采兼并了大采高和厚硬顶板两个特殊条件，对其进行研究对于以后大采高厚硬顶板的开采及顶板控制有知道作用。本文利用理论分析、数值模拟及现场实测等研究手段，着重研究了大采高厚硬顶板综采工作面在前期强制放顶后矿压显现特征、采场围岩应力场分布规律以及支架的适应性等问题，本文的主要结论如下：
1，大采高厚硬顶板综采工作面矿压显现的特征是：支护强度髙，基本顶初次及周期来压步距在强制放顶后和普通采高开采时差别不大；总体而言，大采高综采工作面虽然基本顶来压明显，但矿压显现的程度并不强烈。
2，结合淮南潘二矿11223工作面具体地质条件，建立了 FLAC离散元计算模型，对工作面在不同采高和不同推进速度下采场覆岩破断进行研究，得出：
(1)随着工作面不断向前开采。煤层支承压力基本上是对称分布的，支承压力峰值大致都在工作面前方10m，随着采高的增大，应力峰值范围也在增大，应力降低值也在增大。
(2)上覆岩层不同层位中，因岩性以及力学参数的差异，导致顶板下沉为不协调运动。因厚硬顶板起着承载上覆岩层的作用，随着工作面的推进，当上覆岩层重量超过厚硬岩层的承载极限时，易发生压架事故，故在实际采煤过程中应注意对顶板的管理，防治事故的发生。
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参考文献（略）