采空區(qū)頂板垮落空氣沖擊災(zāi)害的理論及控制技術(shù)研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在中國(guó)的能源構(gòu)成中占有十分重要的比例。煤炭工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中處于基礎(chǔ)地位，是不可替代的。煤炭工業(yè)的安全高效開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速、平穩(wěn)和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。頂板事故是煤礦的五大主要災(zāi)害之一，而煤礦頂板大面積垮落又是頂板事故中最危險(xiǎn)的一種表現(xiàn)形式。采空區(qū)頂板在短時(shí)間內(nèi)大面積垮落，不僅因自身重力產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊破壞，而且更加嚴(yán)重的是把已采空間的空氣在瞬間高速壓出，形成空氣沖擊災(zāi)害，造成嚴(yán)重的人員傷害和設(shè)備損壞等

2、后果?？v觀中國(guó)煤礦歷次頂板大面積垮落引起的空氣沖擊災(zāi)害事故，其致災(zāi)的根本原因都是因?qū)γ旱V頂板大面積垮落引起的動(dòng)力沖擊現(xiàn)象研究不夠，對(duì)其災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理和規(guī)律沒(méi)有形成系統(tǒng)的科學(xué)預(yù)測(cè)理論和判據(jù)，難以提出實(shí)用有效的預(yù)警措施和防災(zāi)工程設(shè)計(jì)依據(jù)，以便在實(shí)踐中科學(xué)地指導(dǎo)礦井的頂板大面積垮落空氣沖擊災(zāi)害防治工作。因此，非常有必要對(duì)采場(chǎng)頂板大面積垮落引起的空氣沖擊災(zāi)害進(jìn)行更加深入的理論基礎(chǔ)與現(xiàn)場(chǎng)防治實(shí)踐研究，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭工業(yè)的健康順利發(fā)展。
　　

3、 本文采用數(shù)學(xué)物理模型、實(shí)驗(yàn)室模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究的方法，對(duì)采空區(qū)頂板垮落空氣沖擊災(zāi)害理論及控制技術(shù)進(jìn)行研究。構(gòu)建了采空區(qū)頂板整體切落力學(xué)模型、O-X斷裂垮落力學(xué)模型以及房柱式開(kāi)采頂板整體切落力學(xué)模型;研究了頂板垮落過(guò)程中采空區(qū)、巷道風(fēng)速和風(fēng)壓的發(fā)生機(jī)理及演變規(guī)律;開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室模擬，驗(yàn)證了頂板垮落-空氣耦合沖擊規(guī)律的一致性;建立了不同頂板垮落形式下空氣沖擊災(zāi)害對(duì)巷道人員及設(shè)備的損傷和損壞模型，給出了巷道內(nèi)人員損傷及設(shè)備損壞的判則;依據(jù)具

4、體的現(xiàn)場(chǎng)工程背景，提出了采場(chǎng)頂板大面積垮落所導(dǎo)致的空氣沖擊災(zāi)害的防災(zāi)工程設(shè)計(jì)方法與減災(zāi)控制技術(shù)措施。
　　 主要結(jié)論如下:
　　 (1)構(gòu)建了頂板全部切落-整體運(yùn)動(dòng)型、頂板O-X破斷回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)型的空氣沖擊理論預(yù)測(cè)模型，分析了頂板整體切落時(shí)，采空區(qū)空氣壓強(qiáng)的變化規(guī)律，推導(dǎo)了采空區(qū)、巷道口及巷道內(nèi)空氣的沖擊速度隨頂板垮落高度變化的計(jì)算公式，并依據(jù)開(kāi)采實(shí)際與邊界條件，采用有限差分方法預(yù)測(cè)出了具體算例條件下空氣沖擊災(zāi)害的相關(guān)臨

5、界指標(biāo)。
　　 (2)設(shè)計(jì)研制出了頂板垮落-空氣沖擊耦合模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)模擬頂板不同垮落高度時(shí)采空區(qū)不同位置的空氣流速，并利用MATLAB軟件，采用二次插值法繪制了不同垮落高度時(shí)采空區(qū)的速度分布場(chǎng)，揭示了采空區(qū)風(fēng)速呈以模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)中部為對(duì)稱面的對(duì)稱分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，靠近巷道口位置風(fēng)速最大，工作面煤壁側(cè)風(fēng)速次之，采空區(qū)側(cè)風(fēng)速最低。在巷道0cm、10cm、30cm、50cm、80cm、100cm六個(gè)位置安設(shè)風(fēng)速傳感器，測(cè)得各自風(fēng)

6、速值，得出了隨頂板垮落高度的不同，巷道某一位置風(fēng)速的變化規(guī)律;頂板垮落-空氣沖擊時(shí)，沿巷道方向風(fēng)速呈現(xiàn)隨距離增加的衰減規(guī)律;空氣自采空區(qū)流向巷道，受采空區(qū)面積與巷道斷面積之比的影響規(guī)律。
　　 (3)根據(jù)井下人員受沖擊空氣超壓傷害的評(píng)價(jià)原則，建立了人員受空氣沖擊超壓傷害的評(píng)判模型(Ⅰ)，確定人員受傷等級(jí);并依人員受空氣沖擊時(shí)被推倒或卷入風(fēng)中兩種模式，構(gòu)建出了空氣沖擊力的人員傷害模型(Ⅱ)，提出了人員受超壓傷害及沖擊力傷害的計(jì)算公