国内典型顶板条件工作面矿压显现规律

长期以来顶板灾害在煤矿灾害事故中始终占据较大比例,一直是困扰煤矿安全生产的难题。矿压规律分析对顶板灾害的有效防控至关重要,目前,大多研究仅针对单一矿井或个别矿区,对不同顶板条件矿压与顶板灾害特征并没有形成统一认识,各类顶板条件之间矿压显现的共性和差异研究不足,且尚未形成有效的矿压显现特征评价指标及方法。基于以上问题,首先,将我国煤矿顶板进行分类,划分为浅埋深、坚硬顶板、非坚硬顶板等3种典型条件,其中非坚硬顶板又包括强矿压顶板和弱矿压顶板2种类型。通过大量矿压数据分析,采用基于支架工作阻力P-T曲线、矿压云图、典型工作面来压特征统计及均化循环拟合的综合分析方法,分析各类典型顶板条件工作面矿压显现特征,得出如下结论:①浅埋煤层工作面具有来压强增阻、非来压微增或负增阻、来压频繁且持续时间长、矿压受地表形状影响大等特征。工作面来压期间均化循环曲线表现为对数+指数的复合函数特征,来压期间支架增阻率远高于非来压期间,且工作阻力增速呈现前缓后急的增长趋势。②坚硬顶板工作面具有来压强增阻、来压步距大、有时存在动载冲击等特征。非来压期间增阻率较小,均化循环曲线表现为近似于线性函数的微增阻特征。来压期间,支架增阻率显著提高,均化循环曲线特征与浅埋煤层增阻特征相似。③非坚硬强矿压类型顶板工作面具有来压与非来压界定不明显、持续渐进式顶板灾害等特征。非来压时增阻率高于浅埋及坚硬顶板工作面,来压时则相反;非坚硬弱矿压类型顶板工作面具有来压显现较弱、增阻率较小、局部来压频繁等特征。2种非坚硬顶板工作面均化循环曲线均符合对数函数特征,增阻率呈移架前期快速增长,而后迅速放缓的增长趋势,来压时增阻曲均低于浅埋和坚硬顶板工作面。

宏观顶板活动支架增阻类型与预测模型

回采工作面顶板活动引起支架动态增阻,为预测支架工作阻力随时间演化过程,采集石圪台煤矿31201工作面、千树塔煤矿13302工作面、长平煤矿5302工作面2263个割煤循环矿压监测数据,分析不同回采阶段的支架增阻规律。根据支架工作阻力演化特征,将支架增阻曲线划分为第1类增阻曲线和第2类增阻曲线。引入广义开尔文模型和Maxwell模型描述宏观顶板的缓慢和剧烈活动,建立四区支撑的宏观顶板增阻预测结构模型,预测长平矿综放开采支架增阻过程,研究结果表明:①典型顶板支架增阻曲线可以划分为2类。第1类增阻曲线由顶板缓慢活动引起,呈收敛特征,支架增阻力和增阻率小;第2类增阻曲线由顶板剧烈活动引起,支架增阻明显且增阻率大。②长平5302工作面来压期间支架第1类增阻曲线概率为38.2%,第2类增阻曲线概率为61.8%。③基于四区支撑的宏观顶板增阻模型能较好地预测回采期间支架增阻过程。④增加初撑力能够减小支架增阻率和增阻量。⑤长平5302工作面支架为第1类增阻曲线时,支架工作阻力不超过11 MN,安全阀不开启。当支架为第2类增阻曲线时,6.2 h支架工作阻力达到11 MN,安全阀开启。为了避免支架压架事故,5302工作面应在6.2 h内完成1个采煤循环。