[01726044]采动围岩压力拱与拱内铰接岩梁承载机制及控制技术

中国西部神府东胜煤田是国家重要的能源基地，煤层埋藏浅，基岩薄，开采厚度大，地表生态脆弱，类似条件国际罕见。浅埋及薄基岩煤层开采引起的强烈地压，对安全采矿和脆弱环境构成了严重威胁，开采理论滞后工程实践的问题十分突出。 基于3项国家自然科学基金项目(51474188；51174156；51174278)；榆林市科技计划项目([2010]4-12)，陕煤集团张家峁矿业有限公司项目(SMZFH(2018)-031)和神东煤炭集团三道沟煤矿项目(201392418022)，采用现场调查、室内外试验、数值模拟、理论分析与现场监测相结合的研究方法，针对采掘扰动围岩压力拱演化特征与调控机制科技难题开展了产学研联合攻关，取得了如下创新性研究成果： 1.创立了采场覆岩远场及近场压力拱理论，表征了采动覆岩三维压力拱结构形态及边界参数，揭示了采动覆岩复合压力拱结构演化特征及失稳机制，为采场和巷道围岩控制提供了理论基础。 2.建立了浅埋煤层采场覆岩初次来压和周期来压结构模型，揭示了浅埋煤层强烈来压机理，提出了“支架-顶板结构”共同承载的支护阻力计算公式，解决了浅埋煤层采场顶板支护理论难题。 3.发现了“上行裂隙”和“下行裂隙”发育及导水规律，建立了隔水层稳定性判据，发明了柔性条带充填保水开采技术，自主研制了多孔介质水沙两相渗流试验系统，发展了浅埋煤层绿色开采岩层控制理论技术。 4.提出了单拱软岩巷道极限平衡拱支护理论与技术，确定了力学计算模型及支护参数计算方法；揭示了连拱隧道围岩偏态压力拱演变力学机制，提出了连拱隧道偏态围压计算新方法。 完成的主要技术创新指标如下： 1.推导了采场覆岩垮落块体三种典型压力拱结构失稳的解析表达式，为人为主动调控采动覆岩复合压力拱结构稳定性提供了技术依据。 2.提出了“支架-顶板结构”共同承载的支护阻力计算公式，建立了近距离煤层群顶板结构力学模型，为煤层群开采顶板控制提供了技术支撑。 3.发明了固液耦合模拟实验技术，确定了充填条带宽度和间隔宽度计算方法，形成了条带充填保水开采技术。 4.形成了基于极限平衡拱理论确定软岩巷道顶板及侧壁支护参数的支护技术；提出了分步开挖连拱隧道偏态等效荷载计算方法。 基于上述研究，授权发明专利20项，实用新型专利8项；出版中英文专著5部，发表学术论文48篇，其中，SCI25/EI21篇；培养博士研究生7人，硕士研究生17人，被评为河南省优秀博士学位论文1篇。发表《煤炭学报》创刊50周年百篇论文1篇，被日本科学技术振兴机构(JST)全文翻译转载1篇。获陕西省职工发明金奖1项。“浅埋煤层开采岩层控制”编入国家规划教材《矿山压力与岩层控制》和《煤矿总工程师技术手册》，产生了广泛影响。 研究成果在河南赵固二矿、河南赵家寨煤矿、神木张家峁煤矿、神东三道沟煤矿和哈拉沟煤矿应用，新增利润17.7亿元，取得了良好的技术经济效益，具有广阔的推广应用前景。 经专家鉴定，项目成果整体达到国际领先水平。