大倾角煤层长壁工作面飞矸动力损害与控制

Damage mechanism and control of flying-gangue hazard in longwall mining of steeply dipping coal seams

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E^(-)(碰撞前动能)和E^(-)_(COR,BE),(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。