本文摘要：采礦工程職稱評(píng)審論文現(xiàn)場(chǎng)礦壓在線監(jiān)測(cè)表明，采礦工程職稱評(píng)審論文受沖溝坡體運(yùn)動(dòng)載荷影響，與工作面正常開采時(shí)相比，頂板來壓期間支架最大工作阻力及來壓動(dòng)載系數(shù)均有明顯增大。為防止沖溝下淺埋煤層開采發(fā)生頂板切冒、支架壓毀等事故，現(xiàn)場(chǎng)采用加強(qiáng)礦壓監(jiān)
采礦工程職稱評(píng)審論文現(xiàn)場(chǎng)礦壓在線監(jiān)測(cè)表明，采礦工程職稱評(píng)審論文受沖溝坡體運(yùn)動(dòng)載荷影響，與工作面正常開采時(shí)相比，頂板來壓期間支架最大工作阻力及來壓動(dòng)載系數(shù)均有明顯增大。為防止沖溝下淺埋煤層開采發(fā)生頂板切冒、支架壓毀等事故，現(xiàn)場(chǎng)采用加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、局部降低采高、工作面快速推進(jìn)、帶壓移架和及時(shí)支護(hù)等措施，確保了沖溝發(fā)育地貌下淺埋煤層安全高效開采。
《采礦與安全工程學(xué)報(bào)》(季刊)創(chuàng)刊于1984年，被“中國科技論文在線來源期刊”、中國學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫來源期刊收錄。是由中國礦業(yè)大學(xué)和中國煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的一級(jí)學(xué)術(shù)期刊。《采礦與安全工程學(xué)報(bào)》刊登主要內(nèi)容有：巖石(巖體)物理力學(xué)性質(zhì)與基本理論;采場(chǎng)巖層控制理論與技術(shù);巷道巖層控制理論與技術(shù);資源與環(huán)境協(xié)調(diào)開采(含煤礦綠色開采)技術(shù);礦井深部開采技術(shù);沖擊礦壓機(jī)理及防治技術(shù);礦井通風(fēng);礦井瓦斯防治;礦井火災(zāi)防治;礦井水災(zāi)防治;礦塵防治;礦井熱害防治等方向有較高學(xué)術(shù)水平和實(shí)用價(jià)值的最新研究成果。
神東煤田地貌具有植被稀疏、地表水蝕嚴(yán)重、沖溝縱橫、坡體產(chǎn)狀變化大及地形支離破碎(高差多在40m以上)等特征。其中鄂爾多斯東北部高頭窯礦區(qū)屬高原半沙漠地貌特征，多侵蝕性丘陵。在起伏變化大的溝谷下淺埋煤層進(jìn)行長壁開采，由于覆巖被侵蝕后不易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生多起來壓強(qiáng)度大、來壓迅速的動(dòng)載礦壓災(zāi)害，易產(chǎn)生頂板切冒、煤壁片幫、支架壓毀等，嚴(yán)重威脅工作面安全高效生產(chǎn)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)淺埋煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、涌水潰沙等進(jìn)行了大量的研究，為指導(dǎo)礦山安全高效開采及地表生態(tài)環(huán)境提供了有力支持。但以上研究多忽略了地形地貌對(duì)煤層開采的影響，而針對(duì)沖溝下煤層開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究較少。王旭鋒等以背溝開采為主要方式對(duì)基巖型和沙土質(zhì)型采動(dòng)坡體下煤層開采頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，建立了沖溝坡體下基本頂初次來壓破斷模型，并指出了沖溝深度、坡角對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)的影響特征。張志強(qiáng)等結(jié)合神東礦區(qū)活雞兔井溝谷地形下煤層條件，通過對(duì)不同坡角、溝深模擬實(shí)驗(yàn)得出：溝谷坡角越大礦壓顯現(xiàn)越強(qiáng)烈，當(dāng)坡角小于15°時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)一般不明顯;溝深越大工作面在溝谷上坡段動(dòng)載礦壓顯現(xiàn)相應(yīng)越強(qiáng)烈，反之，塊體結(jié)構(gòu)不易形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度不大。沖溝發(fā)育區(qū)域淺埋煤層采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)特征對(duì)合理確定工作面液壓支架工作阻力，防止發(fā)生頂板切冒、嚴(yán)重煤壁片幫等災(zāi)害具有重要影響。為此，本文結(jié)合高頭窯礦區(qū)色連一號(hào)礦8101工作面地質(zhì)條件，建立了沖溝下煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)模型，分析了覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及正常開采與沖溝下開采工作面礦壓規(guī)律，并提出了針對(duì)性的頂板控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了沖溝發(fā)育地貌下淺埋煤層安全高效開采。
1現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件
色連一號(hào)礦8101綜采工作面走向長度1780m，傾向長度280m。地面標(biāo)高為1384~1442m，所采2-2上煤層底板標(biāo)高為1250~1264m，煤層埋深約為170m。煤厚2.5~5.0m，平均4.0m，煤層傾角1°~3°。煤層綜合柱狀如圖1所示。井田內(nèi)地表起伏較大，有沖溝發(fā)育，其中淖溝深度約為38m。
2沖溝下淺埋煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)特征
2.1理論分析淺埋煤層開采長壁工作面周期來壓頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，工作面來壓時(shí)基本頂巖塊主要失穩(wěn)方式為滑落失穩(wěn)，工作面支架須提供合理的支護(hù)力才能防止基本頂結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)。支架與頂板結(jié)構(gòu)共同維持頂板的穩(wěn)定，支架處于“給定失穩(wěn)載荷”狀態(tài)。借鑒前人研究成果，可得到?jīng)_溝坡體下淺埋煤層開采工作面來壓期間的“支架-圍巖”作用關(guān)系模型。根據(jù)以往研究成果可知，背溝開采比向溝開采沖溝對(duì)支架支護(hù)阻力的影響更大，要求支護(hù)阻力更高，為此結(jié)合8101工作面地表沖溝條件建立背溝段淺埋煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作面周期來壓時(shí)，按控制頂板結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)考慮，其簡化“支架-圍巖”關(guān)系模型如圖3所示。
2.2數(shù)值模擬為研究不同采高時(shí)沖溝下煤層開采礦壓特征和頂板變形情況，采用UDEC離散元程序建立了數(shù)值計(jì)算模型。模型長度為250m，高度為175m，沖溝深38m，當(dāng)工作面向著沖溝推進(jìn)時(shí)稱為向溝開采，相應(yīng)的背離沖溝推進(jìn)時(shí)稱為背溝開采。采高為4.0m時(shí)工作面不同開采段煤壁塑性區(qū)范圍變化如圖4所示。由圖4可知：正常開采階段煤壁塑性區(qū)寬度為1.4m左右，向溝段塑性區(qū)寬度1.85m，溝底段塑性區(qū)寬度1.6m，背溝段塑性區(qū)寬度最大達(dá)到2.1m。從塑性區(qū)發(fā)育特征可知，工作面過沖溝段塑性區(qū)發(fā)育寬度明顯高于正常開采階段，煤壁壓力較大，礦壓顯現(xiàn)相對(duì)較為劇烈，且礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)“背溝段>向溝段>溝底段>正常開采段”的特征。針對(duì)采高3.2m和4.0m這2種開采條件進(jìn)行了數(shù)值模擬，隨工作面推進(jìn)頂板壓力和下沉量變化如圖5，6所示。由圖5，6可知：當(dāng)采高由4.0m降低到3.2m時(shí)，工作面頂板壓力和頂板下沉量均呈現(xiàn)出不同程度的減小。當(dāng)工作面處于向溝段時(shí)，支架壓力和頂板下沉量較正常開采階段增大;隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)處于溝底段時(shí)頂板壓力和下沉量較向溝段減小，但仍然高于正常開采階段;當(dāng)工作面由溝底段進(jìn)入背溝段時(shí)，頂板壓力和下沉量逐漸增加。采高為3.2m時(shí)，頂板壓力最大值為2.3MPa，頂板下沉量達(dá)到169mm;采高為4.0m時(shí)，頂板壓力最大達(dá)到2.49MPa，下沉量為179mm。由此知降低采高后，工作面頂板壓力和頂板下沉量均得到了減小，工作面過沖溝時(shí)通過合理控制采高有利于頂板安全管理。
3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析
在8101工作面開采期間，采用KJ653-F2礦用本安型頂板壓力無線監(jiān)測(cè)分站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)分析。圖7為正常開采與沖溝下開采工作面85#液壓支架工作阻力變化曲線。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明：①背溝段頂板平均來壓步距為13.88m，向溝段平均來壓步距為17.93m，背溝段來壓步距值小于向溝段。②沖溝下開采支架平均工作阻力為22.1MPa，與正常開采相當(dāng)。但是來壓期間支架最大工作阻力較正常開采有較大增幅，超過支架額定工作阻力(43.8MPa)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于正常開采段，其中背溝段出現(xiàn)12次、向溝段出現(xiàn)10次，而正常開采期間只出現(xiàn)過1次。③沖溝下開采來壓期間支架安全閥頻繁開啟，而且伴隨支架上方頂板破斷響聲，支架工作阻力整體呈“背溝開采>向溝開采>溝底”分布，相應(yīng)的頂板來壓動(dòng)載系數(shù)總體呈“背溝段(1.85)>向溝段(1.71)>溝底段(1.58)>正常開采段(1.55)”的特征。在沖溝下開采期間未出現(xiàn)支架壓死事故，表明考慮沖溝坡體運(yùn)動(dòng)載荷影響的液壓支架工作阻力確定方法是合理的，為沖溝下淺埋煤層開采合理支架阻力計(jì)算提供了有益參考。
4頂板控制技術(shù)
1)加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。工作面安裝了KJ653-F2礦用本安型頂板壓力無線監(jiān)測(cè)分站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架壓力變化，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了工作面在沖溝下開采時(shí)頂板來壓規(guī)律，當(dāng)來壓劇烈時(shí)出現(xiàn)報(bào)警，為工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦壓異常并采取針對(duì)性措施提供了依據(jù)。2)局部降低采高。在沖溝下進(jìn)行開采時(shí)，適當(dāng)降低采高可減小覆巖的變形運(yùn)動(dòng)空間，有利于基本頂形成較為穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，從而減輕覆巖破壞程度。此外，2-2上煤層上方的泥巖偽頂及中細(xì)粒砂巖直接頂強(qiáng)度低，而煤層相對(duì)硬度大韌度高，借鑒神東礦區(qū)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，保留0.5m以上厚度的護(hù)頂煤，有利于頂板管理、提高煤質(zhì)和工作面快速推進(jìn)。因此，工作面“向溝開采—溝底—背溝開采”這一區(qū)間考慮采用降低采高為3.2m的措施，即從向溝開采邊坡逐漸降低采高為3.2m，溝底保持采高3.2m，在背溝開采出背溝邊坡10m采高逐漸升到4.0m。3)工作面快速推進(jìn)。加快工作面推進(jìn)速度在提高工作面單產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)工作面圍巖應(yīng)力分布及其穩(wěn)定性也具有重要影響。8101工作面配備了KTC101自動(dòng)控制系統(tǒng)，配合ZY11000-25/50D型液壓支架電液控制系統(tǒng)的左右鄰架/隔架移架和成組自動(dòng)控制、7LS6C型采煤機(jī)的記憶割煤和遠(yuǎn)程遙控，自動(dòng)化控制裝備為實(shí)現(xiàn)工作面快速推進(jìn)提供了保障。4)帶壓移架和及時(shí)支護(hù)。為防止頂板發(fā)生冒漏和煤壁嚴(yán)重片幫問題，制定了相應(yīng)的措施：①在移架的過程中帶壓移架，確保對(duì)頂板保持一定的支撐力;②移架過程中間隔移架，無法接頂?shù)闹Ъ茉谝萍苓^程中先移架，確保能夠接頂;③頂板冒落嚴(yán)重區(qū)域提前移架;④確保移架后支架有足夠的初撐力;⑤煤壁片幫和頂板冒落嚴(yán)重區(qū)域移架后及時(shí)打開二級(jí)護(hù)幫板支護(hù)煤壁。在現(xiàn)場(chǎng)移架過程中，通過以上措施實(shí)現(xiàn)了頂板安全管理，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。
5結(jié)論
1)結(jié)合高頭窯礦區(qū)沖溝地貌下淺埋煤層地質(zhì)條件，為防止發(fā)生頂板切冒、支架壓毀事故，建立了沖溝坡體下淺埋煤層開采周期來壓期間的“支架-圍巖”作用關(guān)系模型，并解算了背溝開采時(shí)合理支架工作阻力，確定配套ZY11000-25/50D型掩護(hù)式液壓支架。2)采用數(shù)值模擬分析了4.0m和3.2m這2種采高時(shí)煤壁塑性區(qū)發(fā)育、頂板壓力和下沉量變化規(guī)律，表明礦壓顯現(xiàn)劇烈程度呈現(xiàn)“背溝段>向溝段>溝底段>正常開采段”的特征。
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