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。

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。

8.8 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。

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。

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。

8.8m超大采高工作面盘区规划与设计要点研究

上湾煤矿1-2煤四盘区综采面设计采高8.8m,回采设备均为重型设备,当前在用巷道系统已无法满足综采面安装回撤的需求。8.8m超大采高综采工作面在巷道设计及掘进施工方面与普通大采高工作面也存在诸多不同,针对上述问题,结合采掘设备配套参数,上湾煤矿创新了1-2煤四盘区大巷布置形式,解决了超大断面煤巷两端头过渡及顶帮支护问题,保障我国首个8.8m超大采高综采面顺利安装投产。

8.8m超大采高综采工作面设备安装干涉性分析

为了保证上湾煤矿12401超大采高综采工作面设备顺利入井及综采工作面安装后正常运行,通过结合巷道及设备尺寸进行动态干涉分析,保证最大尺寸的综采设备在巷道拐弯处等关键区域正常通过;将所有综采设备按实际尺寸布置在工作面中,进行平、剖面对比分析,保证综采工作面机头、机尾等特殊区域的通过性。在综采工作面投产前,对综采设备的运输、运行进行图纸预分析,有力保障了我国首个8.8m超大采高综采工作面的顺利安装和投产。

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。

8.8 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。

8.2 m大采高综采工作面超前支护技术研究及应用

针对金鸡滩煤矿8.2 m大采高工作面大断面回采巷道超前支护难题,综合地质条件和推进效率等因素,确定了双列多节自移式超前支架架型。采用低初撑力、高工作阻力的支护理念和初撑力自动保证技术,开发了避锚护顶、行走调控和斜坡式连接梁等新结构,研制出回风巷和运输巷超前支架组。井下试验表明超前支架抗周期来压能力强,推进效率高,超前巷道顶板完整好,具有良好的适应性;进一步分析了超前支架整体顶梁对顶板的反复支撑作用,提出了柔性顶梁的方解决案,为超大采高工作面超前支护技术提供了示范和参考。

8 m大采高综采工作面成套装备研发及应用

针对8 m大采高工作面围岩控制、液压支架可靠性保证、超大煤量自适应连续运行、工作面配套存在的问题进行研究,建立液压支架与围岩的耦合力学模型,采用"双因素控制法"确定超大采高液压支架合理工作阻力,设计伸缩梁与护帮板分离的三级协动护帮装置、大缸径抗冲击双伸缩立柱,有效控制片帮及顶板压力;采用高强度结构钢及智能焊接新工艺提高8.2 m大采高液压支架可靠性;基于无极软启动、超大规格链条及传动系统和电直驱齿辊式连续破碎装置,研制超大煤量自适应刮板输送机;综合对采煤机行走传动、带式输送机可折叠机身、超前液压支护等多个方面进行研究,研发了首套8 m大采高综采成套装备,并在兖矿集团金鸡滩煤矿108工作面进行工业性试验。试验表明:成套装备能有效地控制顶板和煤壁,具备良好的稳定性及可靠性,煤流运输顺畅,无大块煤堵塞,试验期间工作面最高日产5.7万t,月产达到150万t以上。

8 m以上大采高综采工作面综合防尘关键技术

基于超大采高工作面开采高度远超出了传统喷雾降尘有效作用的距离,导致易出现跑尘、漏尘的问题,研究了超大采高工作面的产尘特点及运移规律,探讨了相应的综合防尘关键技术,优化了影响防尘效果的关键元部件的相关参数,提出了8 m以上大采高工作面综合防尘新方法。井下应用表明,综合防尘新方法有效覆盖了产尘区域,解决了8 m以上大采高工作面跑尘、漏尘的问题,保障了工作面生产安全,避免了煤尘对工人健康造成的危害,具有很好的应用推广价值。新方法的提出奠定了8 m以上大采高工作面综合防尘技术理论体系基础,对相关综合防尘技术的研究具有一定的借鉴意义。