北京市教育委员会科技计划一般项目（ＫＭ２０２０１０００９００１）

北京市自然科学基金资助项目（２２０４０８０）

国家自然科学基金项目（５１９７４３２０，５１９０４０８２，５１７７４１８４）

第１章 绪论

１．１ 大采高工作面煤壁片帮机理

１．２ 采场系统刚度体系

１．３ 支架与围岩耦合关系理论

１．４ 采场稳定性三维模型试验

第２章 大采高工作面煤壁破坏机理研究

２．１ 基于Ｒｉｔｚ法的煤壁破坏机理研究

２．１．１ 煤壁稳定性力学模型

２．１．２ 工作面煤体的位移场和应力场

２．１．３ 工作面前方煤体稳定性系数

２．１．４ 工作面煤壁破坏形态

２．２ 煤壁破坏影响因素分析

２．２．１ 煤壁破坏外在影响因素

２．２．２ 煤壁破坏内在影响因素

２．３ 本章小结

第３章 基于采空区刚度动态演化的煤壁稳定性研究

３．１ 采场系统刚度及工作面前后支承压力分布规律

３．２ 工作面煤壁破坏的ＰＨＡＳＥ２Ｄ数值模拟分析

３．２．１ 采空区刚度动态演化数值模型的建立

３．２．２ 采空区刚度对煤壁破坏数值模拟的重要性

３．２．３ 不同采空区刚度下煤壁破坏情况

３．２．４ 不同煤体ＧＳＩ下煤壁破坏情况

３．２．５ 不同采高下煤壁破坏情况

３．３ 工作面煤壁破坏的ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟分析

３．３．１ 采空区支承压力动态演化数值模型的建立

３．３．２ 工作面不同区域煤壁破坏特征研究

３．３．３ 已采工作面采空区对当前工作面煤壁破坏的影响

３．４ 本章小结

第４章 支架立柱活动规律及其与围岩相互作用关系

４．１ 伸缩式两级液压缸支架立柱活动规律

４．１．１ 两级液压缸立柱伸缩规律

４．１．２ 特定采高下两级液压缸立柱伸缩规律

４．２ 伸缩式两级液压缸立柱的重要参数及其与围岩耦合机理

４．２．１ 额定工作阻力

４．２．２ 初撑力

４．２．３ 支架刚度

４．２．４ 支架漏液屈服

４．３ 本章小结

第５章 支架刚度对工作面煤壁破坏的影响机制研究

５．１ 大采高工作面支架煤壁系统刚度力学模型

５．２ 大采高工作面顶板支架煤壁三维相似模拟试验

５．２．１ 大采高工作面顶板支架煤壁三维相似模拟试验设计

５．２．２ 煤壁集中力对煤壁稳定性的影响

５．２．３ 煤壁弯矩对煤壁稳定性的影响

５．２．４ 液压支架刚度对煤壁稳定性的影响

５．３ 本章小结

第６章 大采高工作面煤壁稳定性控制技术及现场应用

６．１ 基本顶关键岩块冲击模型

６．２ 大采高工作面煤壁稳定性控制原则

６．２．１ 缓解顶板载荷

６．２．２ 降低煤壁集中力

６．２．３ 控制基本顶关键岩块回转

６．３ 大采高工作面煤壁稳定性控制工程实践

６．３．１ 提高液压支架刚度及初撑力

６．３．２ 合理设置液压支架初撑力

６．３．３ 提高护帮板使用率

６．３．４ 工作面煤壁注浆

６．３．５ 优化工作面回采工艺

６．４ 本章小结

参考文献

　　厚煤层是我国的主采煤层，厚煤层开采技术在很大程度上决定着我国煤炭资源安全、高效、集约开采的发展方向，也是国家能源战略安全的重要保障。其中，厚煤层大采高综合机械化开采技术具有资源回收率高、生产工艺简单、生产效率高、瓦斯涌出量少等优点，逐渐成为我国厚煤层开采的主要技术手段和发展方向。随着科学技术的快速发展和装备水平的不断提高，大采高综采技术在我国发展迅猛，一次采出厚度不断增大，工作面单产水平大幅提高，我国的大采高综采技术逐渐达到世界领先水平。

　　近年来，大采高工作面采高进一步增加到了７～８ｍ。随着大采高工作面一次采出厚度的增加，以及工作面长度和开采深度的不断加大，工作面上覆岩层的移动范围和破坏程度也随之增大，工作面前方支承压力影响范围更广，基本顶来压更剧烈，采场矿压显现更加明显，顶板作用在煤壁上的压力和时间也随之增加，大面积、大深度的煤壁片帮现象也更加普遍。与此同时，工作面煤壁片帮往往伴随着端面冒顶，造成支架围岩关系恶化，进一步加剧煤壁破坏。煤壁片帮和端面冒顶等采场围岩控制问题严重威胁工作面人员的安全、影响工作面设备的正常使用、降低工作面产量和经济效益。首先，工作面煤壁片帮和端面冒顶对矿工的生命安全构成极大的威胁；其次，片落煤体及冒落顶板易导致刮板输送机超载，降低采煤机开机率，影响液压支架稳定性，从而降低工作面设备的工作性能和使用寿命，增加设备维护的时间和资金投入；最后，煤壁片帮影响采煤工作面的正常推进，降低工作面单产水平，片帮治理需要巨额资金投入和时间投入，严重制约大采高工作面的安全、高效、集约开采。因此，研究煤壁破坏机理，分析大采高综采工作面煤壁破坏的影响因素，改善支架与围岩相互作用关系，对提高大采高工作面煤壁的稳定性、实现矿井的安全高产高效具有重大意义。

　　基于以上实践问题及其工程意义，笔者开展了理论分析、数值模拟、相似模拟、现场实践等研究工作，以期从能量法的角度进一步丰富煤壁片帮机理的理论研究，从采场系统刚度理论体系进一步完善煤壁片帮影响因素的敏感度分析，从伸缩式两级液压缸立柱的活动规律进一步阐述支架与围岩收敛变形的耦合关系，从采场围岩稳定性三维模型试验进一步揭示“顶板支架煤壁”协调变形机制。笔者在王家臣教授的指导下和采矿与岩石开挖实验室师兄弟的帮助下完成本著作，将这本著作呈现给读者，以期读者能加深对煤壁破坏机理及支架围岩耦合关系的认识，为采场围岩控制提供有益帮助。

　　本书在撰写过程中得到了杨胜利副教授、潘卫东副教授、仲淑副教授、孔德中博士、王兆会博士、张锦旺博士、魏臻博士、刘飞博士、吕华永博士、杨毅硕士、李良晖硕士、张亚宁硕士、谢非硕士、戚靖晨硕士、解立赫硕士、赵斌硕士的大力支持，在此表示衷心感谢。书中也包含一些通用知识、他人的研究成果以及合作单位共同完成的科研成果，在此引用是为了保持本书体系的完整性与可读性，对所引用成果的作者也表示衷心的感谢。

　　感谢北京市教育委员会科技计划一般项目（ＫＭ２０２０１０００９００１）、北京市自然科学基金资助项目（２２０４０８０）和国家自然科学基金项目（５１９７４３２０，５１９０４０８２，５１７７４１８４）的资助。本书中的一些学术观点和认识可能有疏漏和不妥之处，敬请读者与同仁批评指正。

著 者

２０２０年６月