8.8m特大采高综采工作面顶板管理技术

上湾煤矿12401综采工作面是世界首个8.8m特大采高工作面,工作面采高大,冒顶、片帮、漏矸的风险高,顶板管理难度大。针对以上存在的问题,详细分析了8.8m特大采高工作面的顶帮变化情况,并充分借鉴7m大采高工作面及8m特大采高综采工作面的巷道支护的成功经验,通过综合运用超大断面巷道支护技术、煤巷超前支护技术、三角区域水力压裂技术、工作面矿压监测技术等多种技术手段,有效控制了巷道围岩变形和顶板下沉,保证了工作面顶板安全,实现了工作面的安全高效回采。

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大采高工作面覆岩三带分布特征及分层沉降研究

煤层开采后受采动影响,顶板覆岩会形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。采空区覆岩三带的观测研究对煤矿安全生产至关重要,但目前国内外对覆岩三带的观测研究多限于中、小采高工作面,对一次采全高超大采高工作面仍是空白。针对这一问题,以上湾煤矿首个8.8 m超大采高12401工作面为研究对象,通过钻探、孔内电视、地球物理测井等多种手段综合分析了超大采高工作面采空区覆岩三带分布特征,确定了三带发育高度。同时,本次研究还通过在采前孔安装布置分层沉降监测设备持续对12401工作面覆岩沉降情况进行了监测,综合分析了采空区分层沉降的特征及规律。研究表明:12401工作面垮落带高度为33.20~33.25 m,冒采比为3.91;导水裂隙带高度为118.08~132.83m,裂采比为13.91~15.65;弯曲下沉带距离地表39.17~48.92 m。研究发现:工作面覆岩从下沉到稳定经历了2次快速沉降,覆岩分层沉降相对地表最大下沉量为1.618 m,地表最终下沉量为4.706 m,下沉系数为0.5;随着采空区范围的增大,本区覆岩运动主要受到下部和上部2层关键层共同控制。

8.8m采高工作面切眼掘进与支护工艺研究

神华神东上湾煤矿12401工作面8.8m一次采全高综采工作面切眼断面尺寸为11.4m×6.3m。针对此超大断面巷道在特厚煤层中掘进施工难度大,支护困难的问题,上湾煤矿通过校核支护参数,增大支护强度,保证支护质量,参照辅切眼放线掘进,二次挖底成巷等措施,安全高效地完成此超大断面巷道的施工,为我国首个8.8m综采工作面的安装创造了良好条件。

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。

8.8m超大采高工作面1.8m带宽数字自移机尾研究

为了正常配套8.8 m智能超大采高综采成套装备研发与示范工程,提高装备高产高效、实现智能化的功能,在总结国内自移机尾使用经验的基础上,研制一套适用于8.8 m特大采高工作面的1.8 m带宽数字自移机尾,针对自移机尾强度、数字油缸、高强度材料焊接性能以及智能控制系统等关键技术进行研究,分析了自移机尾整体受力以及结构优化设计对整体强度的影响,开发了具有记忆功能、耐腐蚀、故障率低的数字油缸,研究了适用于高强度材料特殊焊接工艺,发明了实现手动、遥控以及远程控制方式的智能控制,完成了新型调高油缸支腿与前、后支撑一体结构的设计,解决了1.8 m带宽大跨度的整体强度不足问题,研发了Q550新型高强度材料及焊接工艺,实现了数字化控制特大型自移机尾,在此基础上,解决了运输量小、强度不足、自动化程度低的难题,实现了自移机尾轻量化设计,有效提高了生产效率。

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。

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。

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。

8.8m超大采高工作面巷道破碎机的研究与应用

随着超大采高综采装备技术的不断突破,工作面单产不断刷新世界纪录,煤流运输越来越成为制约生产的瓶颈性因素,为降低煤流粒度和对运输系统的冲击破坏,巷道二次转载破碎技术有逐渐成为高产高效矿井标配的趋势,以神东煤炭集团上湾煤矿8.8 m超大采高综采工作面巷道二次破碎技术研究为例,介绍了国产新型双齿辊分级破碎机研究及应用的主要情况,结果表明可以满足8.8 m超大采高工作面巷道二次破碎需求,为类似矿井提供了技术参考和指导。

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。

8.8m超大采高综采工作面末采贯通关键技术应用研究

为保证8.8m超大采高综采工作面安全高效贯通,对比分析了8.8m超大采高综采工作面末采贯通阶段在顶板管理、矿压控制、末采挂网等方面的主要风险及面临的技术难题,提出了以采用增压泵设备、水力压裂技术、等压开采及提高回撤通道支护强度为主的顶板综合管理技术措施。通过技术应用,工作面液压支架初撑力提升至30MPa,两端头顶板动载系数显著降低,工作面滞后小周期来压4m贯通,贯通后采场与主回撤通道围岩有效预防了8.8m超大采高综采工作面顶板事故的发生,实现了工作面的安全生产,可以为浅埋深特厚煤层综采末采贯通提供借鉴。

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。

浅埋深8.8m超大采高工作面冒顶机理及防治技术研究

为解决浅埋深8.8m超大采高综采面冒顶问题,实现特厚煤层综采面安全高效开采。以浅埋深8.8m超大采高12403综采面为研究对象,结合工作面地质条件与工作面参数,分析了工作面顶板冒落、煤壁片帮机理并以此制定了工作面煤壁加固、单向割煤采煤工艺、重型支架架缝、倒架、载头及咬架处理、刮板输送机内矸石快速处理及超大跨度梁端距假顶铺设等多项治理冒顶的关键技术。提出了做好地质资料分析、加强矿压预测预报、优化工作面设计、加强工程质量控制、提高员工技能水平及制定冒顶应急预案等多项预防冒顶的关键举措,为类似条件浅埋深超大采高综采面围岩控制、冒顶治理及预防提供了技术支撑。

8.8m大采高工作面过沟谷水害防治技术

为解决8.8 m超大采高工作面过沟开采水害防治的问题,以上湾煤矿首个8.8 m超大采高12401综采面为研究对象,通过多个安全技术措施,最终工作面安全通过沟谷。提出水害防治主要措施如下:(1)水文补勘,建立自动监测系统,(2)疏放地表积水,(3)对基岩及松散含水层水进行探放水,(4)对工作面正常涌水量和最大涌水量进行预测并布置相应的排水系统。

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。

8.8m大采高工作面液压支架稳定性分析及控制方案研究

液压支架的稳定性是8.8m大采高工作面安全生产的基础。文章在分析了8.8m大采高工作面液压支架稳定性影响因素的基础上,重点对其纵向稳定性、横向稳定性和煤壁稳定性进行了研究,明确了各影响因素与稳定性之间的关系,然后采用动力学仿真软件Recurdyn对液压支架进行了动力学仿真分析,最后提出了8.8m大采高工作面液压支架稳定性的控制方案,有效地提高8.8m大采高液压支架的支护能力,有利于大采高工作面的安全生产。