大倾角煤层长壁工作面飞矸动力损害与控制
胡博胜1，2，3
(1. 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2. 西安科技大学 教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；
3. 西安科技大学 安全技术与工程学院，陕西 西安 710054)
Damage mechanism and control of flying-gangue hazard in longwall mining
of steeply dipping coal seams
HU Bosheng1，2，3
(1. School of Energy and Mining Engineering，Xi?an University of Science and Technology，Xi?an，Shaanxi 710054，China；
2. Key Laboratory of Western Mines and Hazard Prevention，Ministry of Education of China，Xi?an University of Science and Technology，Xi?an，Shaanxi 710054，China；3. College of Safety Science and Engineering，Xi?an University of
Science and Technology，Xi?an，Shaanxi 710054，China)
摘要 大倾角煤层(倾角介于35°～55°)回采过程中采煤机落煤、端面片、冒煤岩块受煤层倾角影响不能在底板稳定停留，沿工作面倾斜方向下部滑移、滚动，不断加速形成冲击，在回采空间伤人损物，形成此类煤层特有的“飞矸”灾害，严重制约矿井安全高效生产。通过现场实测、飞矸块体冲击实验、分离式霍普金森压杆试验(SHPB)、非线性动力学数值模拟等手段，回溯飞矸物质来源；厘定不同因素影响下回采空间飞矸运动轨迹，阐明沿程能量累积与耗散机制；揭示冲击载荷作用下飞矸破碎过程的能量耗散与几何分形特征；基于飞矸与挡矸网碰撞过程力学响应优化挡矸网参数。研究表明：
(1) 飞矸的物源主要有煤壁片帮后脱落的片状煤体、端面冒落的破碎顶板、采煤机截割过程中抛射的煤矸、底板挤压膨出的散状块体，发生频率沿工作面倾斜方向呈“中部最高，上部次之，下部最低”区域性分布特征。
(2) 飞矸形成后沿工作面倾斜方向的运动模式分为“一次碰撞”、“一次碰撞-滑移”、“多次回弹”和“多次间歇回弹-滑移”四种模式；随着煤层倾角的增大、飞矸块体几何尺度的减小，飞矸运动轨迹沿底板法向更加均匀且离散程度减弱；煤层底板硬度增大，飞矸回弹高度由0-3倍升高至3-6倍的飞矸等效直径。
(3) 飞矸滑动、滚动以及自由落体过程中，能量随运动历程的增加而累积；飞矸与底板或设备碰撞其积聚能量部分耗散。高速冲击作用下飞矸破坏分为完好、单一劈裂、粉碎3种模式。破碎后煤岩几何分形维数D与应变率呈对数函数关系。相同应变率水平下，煤岩强度越小分形破碎程度越高；D与煤岩几何尺寸负相关；煤岩几何形态不影响D与应变率的函数关系，均呈对数函数。冲击载荷作用下应力波在飞矸内部传播呈现弥散性，传递至煤岩不规则边缘产生应力集中并诱发破坏，即不规则形状飞矸棱角处率先发生破坏导致球形度逐步增加，即飞矸形状“磨圆”现象。
(4) 基于损伤累积效应发展了Hertz经典碰撞理论，构建飞矸损伤风险指标 (碰撞前动能)和 (飞矸与设备碰撞能量恢复系数)关系模型。分析了不同地质与采矿因素影响下飞矸损伤风险指标演化特征。
(5) 在以上研究基础上，提出了“上部着重轨迹阻拦、中部强调源头治理、下部预防二次衍生”的飞矸分区域控制原则；“运动阶段梯阶耗能、碰撞前柔性隔断阻滞、碰撞时高强材料抗变”的飞矸分阶段控制对策；“诱导运动模式，限制回弹高度，调控耗能比例”的飞矸全过程控制技术。研究成果可为大倾角煤层长壁开采飞矸灾害防控实践提供科学指导，具有一定的理论与现实意义。
关键词 ：
采矿工程 ,
大倾角煤层 ,
飞矸灾害 ,
煤层落石 ,
风险指标 ,
致灾机制
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2022, Vol. 41 
