8.8 m支架超大采高工作面矿压规律及覆岩破断结构研究

针对8.8 m支架超大采高工作面矿压显现强烈而顶板活动规律不明的问题,以神东上湾煤矿12401工作面为研究对象,采用矿压大数据分析手段研究了8.8 m支架超大采高工作面矿压显现规律,采用微震监测、顶板深基点位移监测、数值模拟、理论分析等综合手段研究了工作面覆岩运移破断结构特征,并通过分析二者的时空关系,研究了覆岩破断对工作面矿压显现的作用机理.研究结果表明:12401超大采高工作面具有周期来压步距短、来压持续时间长、动载矿压强烈、来压急增阻、非来压恒阻或缓增阻等浅埋采场矿压显现的典型特征,工作面矿压显现与埋藏深度有显著的正相关性,在埋深180 m以浅,工作面存在大小周期来压的现象.工作面上覆岩层存在高位主控岩层和低位主控岩层(基本顶)2个主控岩层,高位主控岩层以下、直接顶以上顶板运动受低位主控岩层控制,呈整体性切落破断运动特征,在垂直方向形成"切落体"结构形式;切落破断后的块体依靠破断面之间的挤压力和滑动摩擦力作用,处于缓慢的滑落下沉状态,在水平方向形成"挤压平衡拱"结构,进而提出了8.8 m支架超大采高工作面"切落体+挤压平衡拱"结构模型.论文分析了"切落体+挤压平衡拱"结构的特征及形成条件,得出了8.8 m支架超大采高工作面近、远场顶板结构失稳与采场大小周期来压的内在联系及作用机制,给出了维持采场顶板稳定所需的支架工作阻力.     

8.8m超大采高综采工作面覆岩活动规律研究

为了掌握浅埋深8.8m以上特厚煤层一次采全高开采覆岩活动规律,以上湾煤矿8.8m超大采高综采工作面为研究对象。利用理论计算,相似模拟以及数值模拟等方法,通过顶板位移深基点观测、微震监测、矿压监测等多种手段,将远场覆岩活动与近场矿压显现相结合,对8.8m超大采高综采工作面采场覆岩运移规律和顶板结构形式进行研究。推演得出浅埋深8.8m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型,揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律,分析了8.8m超大采高综采工作面矿压机理及支架与围岩的力学关系,为类似条件下特厚煤层综采工作面支架选型及安全高效开采提供理论及技术指导。     

浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型及应用

针对浅埋煤层矿压显现强烈,易于发生切顶压架事故的问题,以神东矿区浅埋煤层为例,统计分析了7个矿、30余个综采工作面矿压数据,结果认为,与普通埋深及深部煤层相比,浅埋煤层工作面液压支架载荷大、周期来压步距短、动载系数大。采用钻孔位移计实测分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及地表岩移特征,破断位置位于工作面后上方,各层位测点呈整体同时破断,破断范围快速波及地表,当工作面推进11 m后,距顶板26 m处测点最大下沉量227 mm,当工作面推进296 m后,地表最大下沉量5.89 m。对比分析覆岩破断与液压支架工作阻力的对应关系,认为覆岩破断后没有直接与采空区矸石接触,而是形成某种结构并产生缓慢下沉现象。采用相似模拟方法分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及运动规律,认为正常情况下,呈整体同时破断的块体能够相互铰接并形成结构,当支护质量不足或者遇到地质异常区时,结构易发生整体滑落失稳,导致工作面压架事故。基于以上认识,提出了浅埋超大采高工作面覆岩"切落体"结构模型,分析了切落体结构的稳定条件及失稳类型,认为浅埋煤层覆岩呈整体切落式破断,形成以滑落失稳为主的铰接结构。研究得到了液压支架合理工作阻力计算公式,并以上湾8.8 m工作面为例进行了验算,结果表明,基于"切落体"结构计算的支架工作阻力能够满足工作面顶板支护要求。"切落体"结构为浅埋煤层液压支架合理工作阻力确定提供了理论依据,丰富了浅埋煤层开采岩层控制理论。     

浅埋深大采高坚硬顶板工作面矿压显现规律研究

基于关岭山煤矿15#煤层埋深浅、采高大、顶板坚硬的实际生产条件,通过现场监测,对关岭山首采工作面的矿压显现规律进行分析研究。结果表明:老顶周期来压呈现明显但不强烈的特点,平均动载系数为1.33,周期来压步距5.62-24.35 m,离散性较大,平均14.19 m,断层影响期间,来压时的影响范围增大,工作面支架阻力处于高位波动,工作面超前支承压力影响范围为14 m左右,支架初撑力控制较好,基本能够满足对顶板控制的要求,支架额定工作阻力选型合适,能够对顶板进行有效控制。     

浅埋深大采高综采工作面矿压显现规律分析

以常胜煤矿浅埋深大采高一次采全高综采工作面为背景,通过现场矿压监测,得出了这种条件下工作面的矿压规律,结果表明:工作面中部来压时的平均压力要大于两端头;来压期间支架活柱不但没有下沉,反而会出现一定的增量;85201工作面初次来压步距为75 m,周期来压平均步距23 m,来压期间矿压显现强烈;支架工作阻力总体符合正态分布,能够满足工作面控制工作面顶板的要求。为本矿区其它矿井安全开采提供借鉴。     

大采高孤岛工作面矿压显现规律研究

以邓家庄煤矿1405大采高孤岛工作面为背景,通过现场矿压观测,得出了这种复杂条件下工作面的矿山压力显现规律。研究结果表明:1405综采工作面的老顶初次来压步距为35.4 m,周期来压步距平均14.39 m,动载系数1.4,来压显现较其它工作面强烈;由于受到侧向应力与工作面超前压力叠加的影响两端头压力显现明显大于其余部位;工作面所选用支架完全能够满足顶板支护的要求。研究结果对类似条件下矿压及顶板管理提供了参考依据。     

浅埋特大采高工作面矿压规律及支护阻力确定

基于大柳塔煤矿52304工作面的矿压实测数据,分析了近浅埋煤层7 m特大采高工作面的矿压显现规律。工作面初次来压步距为73.3 m,周期来压步距平均为16.0 m。周期来压步距呈现"两端大、中间小"的特征,来压持续长度呈现"两端小、中间大"的特征。工作面来压时,中部矿压显现强烈,支架动载系数为1.58,支护阻力高达18 000 k N;而工作面两端支架受力较小,为12 000 k N。非来压时,工作面支架工作阻力一般为12 000 k N,分布较均匀。采用大采高"斜台阶岩梁"结构计算法和实测统计法,计算了合理的支架工作阻力,表明原工作面支架工作阻力偏低。实践表明,采用大采高"斜台阶岩梁"结构计算得出的合理支架工作阻力符合实际,为大采高工作面支架选型提供了依据。     

泉头煤矿坚硬顶板大采高采场矿压显现规律研究

针对坚硬顶板大采高工作面顶板控制困难的问题,研究了工作面矿压显现规律。通过现场调研、力学分析建立了工作面上方坚硬顶板的"悬臂梁-砌体梁"结构的简化模型。力学分析表明工作面矿压显现主要受悬臂梁的影响,高位砌体梁对回采空间矿压显现影响不大。通过材料力学的计算原理得到晋城泉头煤矿15301工作面初次来压步距为47.76m,周期来压步距为19.43m。通过数值模拟得到工作面初次来压步距约为42.35m,周期来压步距约为17.28m,矿压实测周期来压步距平均16.19m。结果表明:理论计算和数值模拟结果与矿压实测周期来压步距接近,力学模型可以解释该矿顶板破断规律。     

神东矿区8.8m超大采高工作面矿压综合监测与分析

为保障神东矿区8.8m超大采高工作面安全生产,建立了上湾煤矿矿压与微震综合监测预警平台,并基于大数据分析手段,对8.8m超大采高工作面矿压显现及顶板活动规律、支架工况等进行了分析。研究表明：8.8m超大采高工作面周期来压显著且矿压显现强烈,所采用26000kN支架具有较好的适应性|周期来压期间支架下缩量平均为73mm,支架下缩明显|固定围岩条件下支架下缩量与支架增阻量保持良好的线性增长关系,而不同围岩条件下支架下缩量与支架增阻量的对应关系则具有较大的离散性,支架系统刚度受围岩条件的影响较大|8.8m超大采高工作面微震事件能量水平整体较低,但频次较高,且微震能量释放超前工作面矿压显现的时空对应关系为利用微震监测结果开展超大采高工作面顶板大面积来压预测预报提供了可能。     

神东矿区8.8m超大采高工作面矿压综合监测与分析

为保障神东矿区8.8m超大采高工作面安全生产，建立了上湾煤矿矿压与微震综合监测预警平台，并基于大数据分析手段，对8.8m超大采高工作面矿压显现及顶板活动规律、支架工况等进行了分析。研究表明：8.8m超大采高工作面周期来压显著且矿压显现强烈，所采用26000kN支架具有较好的适应性|周期来压期间支架下缩量平均为73mm，支架下缩明显|固定围岩条件下支架下缩量与支架增阻量保持良好的线性增长关系，而不同围岩条件下支架下缩量与支架增阻量的对应关系则具有较大的离散性，支架系统刚度受围岩条件的影响较大|8.8m超大采高工作面微震事件能量水平整体较低，但频次较高，且微震能量释放超前工作面矿压显现的时空对应关系为利用微震监测结果开展超大采高工作面顶板大面积来压预测预报提供了可能。     

超大采高工作面矿压规律数值模拟与分析

我国浅埋深特厚煤层矿区主要位于中西部地区,其中神东矿区是最典型的浅埋深特厚煤层赋存区域。该区域煤层埋深浅且赋存稳定;工作面采高大,矿压显现强烈;上覆岩层一般只有两带,来压时呈“切落体”式垮落。以大柳塔煤矿5-2煤特厚煤层开采为依据,对7 m超大采高工作面进行矿压规律研究。通过数值模拟、数据分析、现场观测等手段,对超大采高工作面的矿压规律进行分析,推断上覆岩层位移、应力状态、来压步距、来压强度,为后续的开采进行预测预报、减少顶板事故的发生,并为类似条件下的综采工作面开采提供参考。     

浅埋煤层大采高综采面矿压规律的研究

通过对不同采高的典型浅埋煤层和近浅埋煤层矿压显现规律的研究,发现典型浅埋煤层采高对来压步距的影响不具有规律性,其大小主要与工作面推进速度与覆岩结构有关,工作面推进过程中来压和非来压时支架工作阻力变化不大。近浅埋大采高工作面来压时支架阻力存在明显规律变化,大小周期来压交替出现,大周期来压步距为小来压步距的两倍,动载系数随着采高的增大而减小,出现明显的矿压显现规律,对此类煤层的安全开采具有重要指导意义。     

补连塔矿12511综采工作面矿压显现规律

为研究近浅埋煤层特大采高工作面矿压显现规律,以补连塔12511综采工作面为研究对象,通过工作面矿压实测数据,分析了近浅埋煤层7.4 m特大采高工作面矿压显现规律。结果表明,工作面初次来压步距44 m,回采初期周期来压步距11.74 m,回采中期周期来压步距增大至14.1 m,工作面周期来压对支架作用强度整体显示出强、弱交替变化规律,周期来压强度呈现"两端小,中间大"的特征。工作面周期来压动载系数为1.39。支架工作阻力呈正态分布,呈现较好工作状态。     

浅埋深工作面矿压规律研究

浅埋深工作面基岩相对薄,顶板来压剧烈,通过现场矿压实测研究了3101浅埋深工作面矿压规律以及支架适应性。工作面平均初次来压步距为11.13 m,中部初次来压步距较两侧大;平均周期来压步距为12.9 m;平均动载系数为1.47,来压强度的峰值均在支架额定工作阻力范围之内。初撑力明显偏低,不利于顶板维护,工作面支架右柱平均最大压力大于左柱的较多,平衡受载性能差。     

上湾煤矿8.8m综采面矿压显现规律研究

神东煤炭集团上湾煤矿12401综采面是世界首个8.8m大采高工作面,为了明确超大采高综采面的矿压规律,上湾煤矿通过观测生产过程中不同条件下的矿压显现情况,并详细记录综采面矿压数据,通过对采集的数据进行分析,得出：综采面初次来压步距为45m,压力较大|周期来压随着埋深的减少,呈现明显的连续性和阶段性,周期来压步距由平均10.05m增大到12m,局部增加至16.4m。周期来压步距大小交替规律逐渐显现,来压强度上也有大小交替情况|随着回采距离增加,大步距数量增多,强来压次数增多,矿压显现变强|矿压显现剧烈时,确实存在估算工作阻力超过所选支架工作阻力的情况,但超出架数不多,安全阀开启率低,活柱下缩量小,所选支架能够满足需要。     

浅埋深工作面矿压规律研究

浅埋深工作面基岩相对薄,顶板来压剧烈,通过现场矿压实测研究了3101浅埋深工作面矿压规律以及支架适应性。工作面平均初次来压步距为11.13 m,中部初次来压步距较两侧大;平均周期来压步距为12.9 m;平均动载系数为1.47,来压强度的峰值均在支架额定工作阻力范围之内。初撑力明显偏低,不利于顶板维护,工作面支架右柱平均最大压力大于左柱的较多,平衡受载性能差。     

浅埋深综放工作面初采矿压显现规律研究

为研究浅埋深综放工作面初采期矿压规律,选取山鑫煤矿18041工作面作为实验地点,布设矿压监测站,实时监测矿压显现情况。根据监测数据,分析支架增阻、安全阀开启等宏观矿压显现特征,分析判断初次来压步距,计算动载系数。得出18041综放开采老顶初次来压步距为平均为20.8 m,初采期间老顶周期来压步距平均为11m;试采期间初次来压及周期来压的动载系数平均分别为1.22和1.25。     

浅埋煤层开采过沟谷区域动载矿压机理及防治技术研究

浅埋煤层开采过沟谷区域时如存在关键层缺失的情况,容易引发覆岩结构失稳,并诱发动载矿压显现。以朱家峁煤矿1305-2工作面通过第一条沟谷期间发生的压架事故为研究背景,基于现场踏勘和理论推导,分析了关键层位置以及压架机理,并由此提出了动载矿压防治技术。研究表明：压架事故发生的主要原因为顶板覆岩主关键层局部缺失导致无侧向水平的约束作用力,“砌体梁”结构出现滑落失稳,并以动载形式诱发工作面矿压显现。通过力学推导得出,减小工作面周期来压步距可有效缓解动载矿压显现,并在工作面通过第二条沟谷期间采用深孔爆破和水力压裂联合的防治技术处理工作面顶板岩层,最终周期来压步距由18 m减小为12 m,且未发生压架事故,保证了工作面的安全生产。     

大采高综采面过上覆煤层采空区矿压规律研究

为了掌握5 m大采高综采工作面进入上覆煤层采空区的矿压显现规律,基于上湾煤矿12301工作面矿压实测结果,从顶板结构变化的角度对采空区作用机理进行了分析。结果表明,进入上覆煤层采空区后工作面周期来压步距为13.6 m,小于实体煤下周期来压步距15.6 m,减小了12.8%。在采空区下,周期来压强度要比实体煤下大7.7%,动载系数大8.2%。下煤层开采时上覆岩层顶板结构的稳定性是导致周期来压步距、来压强度和动载系数出现差异的根本原因。     

神东浅埋工作面矿压显现规律的多因素耦合分析

针对神东矿区浅埋工作面矿压显现特征,结合126例浅埋工作面矿压实测数据采用回归分析、概率统计手段,分别就工作面覆岩岩性、采高、埋深及工作面长度对工作面矿压最大值、载荷分布及来压步距影响进行单一及耦合分析,提出覆岩硬度系数法来数值化覆岩岩性并结合KSPB软件归类覆岩,结果表明:1覆岩岩性、采高、埋深及工作面长度与工作面矿压最大值分别呈线性、线性、负对数及正双对数函数相关,无关键层、单一关键层及多关键层下相关参数不同;2工作面斜长上矿压呈二次函数分布,载荷分布系数a与工作面长度呈负对数相关,无、单一及多关键层下相关参数不同,且覆岩岩性、采高、埋深对工作面矿压分布影响较小;3工作面初次、周期来压步距与覆岩硬度系数呈正指数相关,与采高、埋深及工作面长度呈概率分布相关,无关键层、单一关键层及多关键层下相关参数不同,覆岩硬度系数预测值与概率统计值的并集为工作面初次、周期来压步距预测值。对比分析及工程实践表明,经验回归公式结合概率统计分析在一定残差范围内可准确预测浅埋工作面矿压最大值、载荷分布规律及初次、周期来压步距。