8.8 m超大采高工作面巷道超前应力研究与实践

8 m以上特厚煤层超大采高综采工作面回采巷道高度超高、宽度超宽,顶板上覆岩层运移剧烈,两顺槽出口巷道顶板压力大,巷道超前支护难度比以往大采高工作面更加复杂,支护难度进一步增大。为解决超前支护难题,以国家能源集团神东上湾煤矿首个8.8 m特大采高工作面回采巷道为工程背景,对两顺槽出口顶板超前应力进行分析研究,确定超前支护长度及主要参数,并进行了工程实践,为类似地质条件特厚煤层两顺槽超前支护参数的确定提供借鉴。

基于微震监测的浅埋8 m超大采高综采面矿压规律现场监测研究

以陕北矿区某矿2203浅埋超大采高综采面为工程背景,采用微震监测技术,对浅埋超大采高综采面矿压规律进行了研究。结果表明:单日微震事件数达到峰值后,综采面继续回采8.25~11 m内,能量大于103J的事件增多,微震事件能量及支架压力达到峰值,随后顶板出现垮落现象。综采面初次来压前,微震总能量为6.40×10^(3)J,矿压显现期间为1.07×10^(4)J,总能量增长67%;由于综采面矿压显现与微震最大能量峰值出现一致,通过2次最大能量峰值时综采面位置可以确定综采面周期来压步距。2203综采面初次来压步距为24.75 m,周期来压步距为27~35.25 m,由此确定,顺槽超前支护距离为36 m,实践表明,2203综采面采用ZCZY10300/31/55D型超前液压支架满足巷道超前支护的要求。微震监测是矿压显现规律分析的有效手段,采用液压支架压力变化与微震能量协同分析的方法研究超大采高综采面的矿压规律是可行的。

10m超大采高智能化开采关键技术及装备研究

通过调研陕西陕煤曹家滩煤矿业有限公司22煤层赋存条件,探究了超大开采空间矿压显现规律及超高煤壁片帮特点,总结了超大采高综采工作面围岩控制关键技术,分析了超大采高综采工作面端头区支护特点,提出“大梯度+小台阶”端头区过渡模式,实现了综采工作面中部到两端头巷道6 m高差的短缓过渡及端头区三角煤高回收率支护;基于综采工作面智能化成套开采装备选型配套,研发了适应10 m超大采高综采工作面的成套开采装备,实现了超大开采空间安全防护、特厚煤层高效截割、超大运量煤流顺畅运输;搭建工作面“采支运”一体化智能协同作业控制系统及多源系统集成与数据融合分析平台,支撑10 m超大采高综采工作面安全高效开采。

基于微震监测的浅埋8 m超大采高综采面末采阶段矿压显现规律研究

为了掌握浅埋超大采高综采面末采阶段矿压显现规律,以张家峁煤矿8 m超大采高综采面为研究背景,在工作面支架压力监测数据的基础上,引入微震监测技术手段,从微震事件数量和能量的角度对末采阶段矿压规律做出合理解释。得出如下结论:2203综采面末采最后90 m范围内共监测到微震事件66个,总能量1.75×10^(4)J,其中,中小能量事件合计占比达到92%。期间共来压5次,平均周期来压步距为19.5 m,来压持续距离2.9 m,动载系数1.46,周期来压具有来压步距短、持续时间长、局部动载矿压强烈的特点。来压期间微震的频次和能量明显高于未来压期间,微震频次和总能量的变化趋势呈现“M”形,表现为能量的“积聚-释放-积聚”的周期性变化,微震事件的周期性变化规律与工作面的周期来压保持一致。根据微震频次和能量的异常变化可对工作面的周期来压起到一定的预测作用。

8.8 m运输顺槽超前支架组的研制与应用

针对神东大采高综采工作面开采地质条件和综采面配套设备外形尺寸大的特点,研发了ZYDC34440/30.5/55D型运输顺槽异形迈步分体式超前支架组。该支架采用多单元窄形组合非对称式支护架形,解决了超前支架与大型运输设备的配套衔接;设计低位推移机构,实现了与大型转载破碎机配套,保证了行人通道;配置多形式调架机构,实时协同调节支架位置,保证使用可靠性,较好地控制了8.8 m特大采高工作面运输顺槽顶板变形。

8.8 m超大采高工作面矿压显现规律实测及机理分析

针对浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的问题,基于支架压力现场监测,对上湾煤矿8.8 m超大采高工作面矿压显现规律进行了研究。结果表明:8.8 m超大采高工作面基本顶初次来压步距为45 m左右,周期来压步距平均为13.5 m,动载系数平均为1.6;超大采高工作面周期来压具有来压步距短、来压持续时间长、来压区域性明显、动载矿压强烈等特点。根据工作面上覆顶板结构分析认为,工作面开采强度大、顶板活动剧烈,关键层结构单一、赋存层位低、易滑落失稳、上覆顶板整体性破断,是造成浅埋深超大采高工作面矿压显现强烈的主要原因。

8.8m智能超大采高综采工作面关键技术与装备

为解决浅埋煤层8.8 m特厚煤层一次采全高安全高效开采的问题,以上湾煤矿首个8.8 m超大采高综采工作面12401工作面为研究对象,利用数值模拟、现场实践以及工程类比等手段,在设备配套、围岩控制、回采技术以及信息化方面进行技术攻关,形成了一套8.8 m超大采高一次采全高综采关键技术。实践证明:采取的巷道支护、采场矿压监测、三角区顶板控制、支架自动增压补液、防片帮、防漏矸、回采工艺、工程质量控制以及信息化等技术,保证了综采面安全高效回采。8.8 m超大采高一次采全高综采设备选型及配套合理,不仅能够满足综采面生产、支护以及运输需要,而且生产能力显著提升。该综采工作面与同煤层7 m大采高综采工作面相比,可多回采煤炭405万t,采出率提高了20.2%。该成套装备、工艺及关键技术的研发和应用,为类似条件下特厚煤层的开采提供技术指导和借鉴。

8.8 m采煤机牵引箱加载试验设计与分析

为了满足8.8 m厚煤层综采要求,对进口采煤机牵引箱进行了改造。根据改造后的牵引箱参数和结构,选择液压加载试验台进行加载,设计了牵引箱加载布置方案和加载控制方式。根据试验标准和目的,通过对试验结果的分析,牵引箱符合出厂试验要求。

8.8 m超大采高工作面支架与围岩相互作用关系

8.8 m超大采高综采工作面一次开采高度及开采强度大,采场围岩控制困难。采用立柱压力传感器、位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测,对工作面矿压显现规律、支架工作阻力循环曲线、顶板下沉量及割煤循环内下沉曲线进行了分析,对支架工作阻力、初撑力、支架刚度与顶板下沉关系进行了研究。研究结果表明:超大采高工作面开采具有来压区域性明显、来压急增阻、非来压恒阻、大小周期来压的宏观特征;工作面顶板下沉具有明显的时空差异性,空间上呈现工作面“两端小-中部大”的特征,时间上呈现来压期间大、非来压期间小的特点;工作面支架ΔF-T和顶板下沉ΔS-T均化循环曲线具有高度的一致性,来压期间2者均呈对数-大斜率线性复合增长,非来压期间呈现近常数或小斜率线性增长;顶板下沉与支架工作阻力呈线性对应关系,随支架工作阻力的增加而增大,安全阀开启后,顶板下沉速度明显增大,最大下沉速度为安全阀开启前的4.3倍,安全阀长时开启时顶板下沉速度由急增逐渐过渡至缓增状态,ZY26000/40/88液压支架在来压期间一定时间内可以将顶板下沉控制在一定的范围内,但并不能阻止其继续下沉;初撑力及支架刚度大小对顶板控制影响较为明显,随着初撑力的不断增大,顶板下沉及下沉速度显著降低并趋于稳定,临界点为15 MN,顶板下沉与支架刚度呈现类双曲线关系,支架刚度达到14 MPa/m以上时,支架刚度对顶板下沉的抑制作用减弱,顶板下沉趋于平稳状态。

8.8m超大采高综采面矿压显现规律及围岩控制技术

针对8.8 m超大采高工作面在超大采出空间下矿压显现强烈、围岩控制难度大的问题,以上湾煤矿12401工作面为工程背景,基于现场实测手段对8.8 m超大采高开采矿压显现规律和围岩控制技术进行了全面研究。研究得出:8.8 m超大采高工作面矿压显现具有来压步距短、持续时间长、动载矿压强烈等特征,但工作面超前支承压力影响不显著。采用三维激光扫描手段对超大采高工作面煤壁片帮特征进行了分区域、全方位、高精度探测,并根据工作面支架立柱压力和护帮力对煤壁片帮的影响关系,确定了超大采高工作面煤壁片帮预警指标和阈值。在矿压规律研究的基础上,探索出了一套超大采高工作面顶板灾害综合预警与防治技术,保障了8.8 m超大采高工作面的安全回采。

8.8 m大采高工作面覆岩运动规律与应用——以上湾煤矿为例

以上湾煤矿8.8 m大采高一次采全高综采工作面为研究对象,基于覆岩运动仿真与矿压规律分析算法对12402综采工作面进行了上覆岩层结构模拟分析、顶板覆岩运动规律仿真及数值模拟分析。结合现场矿压实测数据,对比分析系统矿压算法准确度,自动反演校订采场上覆岩层主要支托层工程力学参数,为采煤工作面顶板来压预测、支承压力分布范围预计、相邻采区巷道支护设计与液压支架选型提供了依据。

8.8 m超大采高智能综采工作面设备快速回撤工艺

介绍了上湾煤矿12401工作面8.8 m超大采高智能工作面的概况和设备配置,针对综采工作面的设备配置,提出了采煤机、液压支架等大型设备对应的回撤方案,阐述了安全高效回撤工艺,制定了安全回撤空间顶板管理措施,并对回撤工艺进行了验证,取得了较好效果,实现了超大采高综采工作面设备的安全快速回撤。

8.8m超大采高工作面煤自燃防治经验探讨

超大采高工作面煤自燃监测数据包括气体浓度、温度等,研究方法包括实验、数值模拟、现场观测等。现有研究大多未考虑各指标之间的关系,研究手段及数据分析方法单一。针对该问题,以上湾煤矿采高为8.8 m的12401工作面为例,通过煤自燃实验、现场“三带”实测及数值模拟相结合的方式,分析煤自燃火灾过程中气体浓度与温度之间的关联关系,总结采空区内因火灾发火规律和特征。建立地面钻孔注氮模型,反演了采取注氮措施前后O_( 2)浓度场、CO浓度场、温度场和“三带”分布变化规律;针对高温异常区域,根据数值模拟结果选取注氮位置,采用地面与井下一起注氮的方式降低火灾危险性。研究结果表明:CO可作为预测煤自燃的指标气体,CO_( 2)和CH_( 4)不能作为指标气体,C_( 2)H_( 6),C_( 2)H_( 4),C_( 2)H_( 2),H_( 2)可作为辅助指标气体;采取注氮措施后,氧化升温带的宽度大大减小,CO体积分数明显降低,最高点温度迅速下降,惰化效果显著;高温异常区域CO体积分数及温度有逐渐下降的趋势,验证了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。

8.8 m超大采高综采面机电安装成套设备研发和应用

为了适应超大采高综采面对管线安装高度、安装速度的要求,国家能源集团神东煤炭集团通过对超大采高工作面管线安装工艺、安装方式、安装速度的深入调研和分析,重新开发并应用了管道切割除锈刷漆一体机、管道自动焊接机、防爆管道吊运车、防爆预埋孔钻车、防爆升降平台车、防爆管道抓举车6种机电安装特种作业装备,详细介绍了6种装备的主要技术参数、结构组成与工作原理以及应用情况及效果。通过在国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿的实际应用表明,6种装备实现了超大采高工作面的管线的快速安装,保障了超大采高智能综采面的正常接续,取得了良好的应用效果。

8.8 m超大采高综采工作面防灭火技术研究与应用

针对8.8 m超大采高综采工作面煤层易自燃、防灭火管理难度大的问题,基于上湾煤矿12401综采工作面的防灭火技术应用,对通风系统优化、堵漏、浮煤管理、注浆注氮等防灭火技术措施以及采空区气体监测、光纤测温和红外热成像等监测手段的综合应用进行了阐述分析。结果表明,相关的监测手段能够为防灭火技术措施的实施提供有效指导,注浆、注氮等技术措施的应用能够有效降低工作面隅角CO浓度和采空区氧化带宽度,形成的技术工艺、管理体系满足了超大采高工作面的防灭火要求,为超大采高综采技术的推广应用提供了安全保障。

8.8 m超大采高综采工作面顶板水害动态监测技术研究

针对上湾煤矿8.8 m超大采高综采工作面回采过程中顶板可能存在的水害隐患,采用视电阻率监测系统对工作面回采至石灰沟段顶板裂隙导通上覆含水层的情况进行了分段动态监测,结合地面水文观测孔及工作面涌水量对监测结果进行验证,并划分顶板水害预警级别。结果显示:在采空区内有明显的高阻异常发育,分析为煤层采空后顶板冒落导致上覆岩体裂隙增大所致。随着工作面的推进,在距离切眼1576~1766 m、1842~2260 m范围内存在低阻异常区,分析认为导水裂隙带导通了上覆含水层;通过查看井下采空区涌水和地面水文孔观测数据,验证了视电阻率监测结果。根据视电阻率监测情况对12401工作面顶板水害预警级别进行了评估,该工作面水害风险预警级别为二级预警,水害风险一般。

8.8 m超大采高综采工作面支架选型应用及顶板管理研究

针对8.8 m超大采高综采工作面开采强度高、顶板活动剧烈、管理难度大的问题,基于上湾煤矿12402综采工作面的顶板管理技术,对工作面矿压规律进行预测、对工作面支架的选型以及现场顶板安全管理体系进行了阐述分析。结果表明,采用类比法预测工作面回采矿压参数和规律能够满足超大采高工作面应用所需;强制放顶、擦顶移架法、超前拉架法等常规工艺在8.8 m超大采高情况下仍然有效,施工中形成的顶板安全管理体系保障了超大采高工作面的安全高效生产。

8.8 m超大采高综采面初采期间设备存在的问题与解决方案

由于国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿8.8 m超大采高综采面采用的设备均为新研发设备,在综采面试运行期间出现了支架底座与推拉杆别劲、拉架时灰尘大、视线差及自移列车拉移时跑偏等问题。针对以上问题,国家能源集团神东煤炭集团上湾煤矿结合生产实际,从设备动作原理入手,对设备进行了优化改造,并详细阐述了设备出现问题的原因及解决方案。改造后的实际应用表明,改造后的设备不仅降低了劳动强度、提高了工作效率,有力保障了8.8 m超大采高综采面的安全高效生产,而且在解决问题的过程中,生产单位和科研院所积累了宝贵的技术经验,对我国煤炭工业装备制造水平的改进和提升具有积极的借鉴意义。

8.8 m超大采高综采面回采巷道合理支护参数研究

神东煤炭集团上湾煤矿12401综采工作面为全国首个8.8 m超大采高综采工作面,为满足采掘、运输和通风需求,该工作面回采巷道需要相对较大的设计尺寸。为确保该综采工作面安全回采试验,采用工程类比、理论计算、数值模拟和现场监测等综合研究手段,确定了超大采高综采工作面回采巷道支护方式为“锚网索带”联合支护,并确定了关键支护参数。通过数值模拟和现场实测,结果表明围岩变形量均小于10 mm,支护效果良好,验证了回采巷道支护参数的合理性。

8.8m超大采高综采工作面围岩控制关键装置优化设计

根据上湾煤矿8.8 m超大采高工作面围岩稳定性控制要求,对顶板支护、煤壁片帮防治和漏矸导流等关键装置进行了优化设计。结果表明:通过采用φ600 mm大缸径立柱和分级泄液大流量安全阀相互配合,实现了对顶板控制和缸体安全的统一;优化设计的伸缩梁与三级护帮板非随行式机构降低了响应延时,减少了煤壁及顶板的空顶时间,降低了冒顶、片帮事故的发生概率;L形防漏矸装置有效杜绝了因移架和相邻支架缝隙过大造成的漏矸伤人风险。通过优化设计的围岩控制关键装置为8.8 m安全回采提供了可靠保障。