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1、孤岛综采工作面安全开采技术研究 1、研究背景 童亭煤矿S1073工作面位于S107采区浅部，上部为已回采结束的S1071工作面，下部为已回采结束的S1077工作面，左至CF8-16070H=515m断层保护煤柱，右至S107集中巷保护煤柱。该面内煤层结构简单，煤厚平均在3.5米左右，煤层倾角为517，平均9左右。该面煤层整体呈单斜构造，工作面里段轻微褶曲发育，煤层走向与工作面斜交。工作面外段断层极其发育，尤其较大断层DF8 70H=020m、S1071 FX1760H=12m将对回采有很大影响，预计采至DF8断层处的综采储量为32万吨。由于S1071工作面和S1077工作面均已回采结束，致使S
2、1073工作面成为孤岛工作面。孤岛工作面不同方向支承压力的迭加,是孤岛工作面开采中的一个重要特点。采动过程中工作面上下巷道围岩会处于流变状态，并且受到高应力作用而加剧变形，严重威胁了人员出入和机械设备的正常运转；一定条件下，采场顶板覆岩结构失稳会对工作面支架造成冲击载荷，形成大面积片帮，严重时会造成支架压死、设备损坏，挤出的煤体会封堵工作面出口，同时导致瓦斯涌出量增加等工程灾害。因此，如何确定孤岛工作面回采时的防治措施，从而避免此类工程灾害的发生，实现S1073孤岛工作面的安全开采，成为摆在集团公司和童亭煤矿面前的一大问题。 目前，关于孤岛综采采场的矿压理论及安全回采实践已有一定的研究，但孤岛
3、综采工作面开采过程中冲击矿压的防治及巷道围岩的控制等，仍是影响矿井生产的一大难题，尤其对于S1073孤岛工作面厚松散层薄基岩的特殊地质条件下，其相关的安全开采技术也具有其特殊性。所以，开展S1073孤岛工作面安全开采技术研究，可以揭示厚松散层薄基岩孤岛工作面的矿山压力及其覆岩运动规律和特征，从而解决工作面顶板矿压的控制等一系列科学问题。对于生产实践而言，防止了顶板事故的发生，保证了作业人员的安全和机械设备的正常运转，为童亭煤矿乃至集团公司的孤岛综采工作面的安全开采提供指导，具有十分重要的意义。 2、研究成果 2.1 两巷矿压显现特征 初期回采30m,两巷围岩没有没有太大变化和非孤岛回采变化一致
4、;推进30m以后,两巷围岩开始剧烈。回采期间,回风巷支承压力影响范围达120m,机巷支承压力影响范围达110m,回风巷支承压力峰值区为1050m,机巷支承压力峰值区为l040m。变化曲线如图一。 通过几个月的数据显现，回采速度对围岩变形的影响较大。资料显现推进度越快,工作面底鼓和两帮移近量越小;推进度越慢,工作面底鼓和两帮移近量越大。 采取的针对性解决措施 超前支护范围由20 m改为40 m; 增加超前支护范围内的支护密度,加大巷道卧底量; 加强工作面顶板的超前管理; 对机巷巷自工作面向外40-50m范围内的巷帮下部进行扩帮,工作面上帮10-20m范围内对上帮进行扩帮，以增加巷道宽度保证工作面
5、设备的拉移。 图一 对风巷超前20米范围内进行卧底，以保证回风断面和人行道高度。 距离工作70m-120m，工作面平均推进速度为2.5m/d。 缓升区 顶、帮发生位移的时间为18-25天，机巷顶板位移速度一般为2 8 mmd，帮位移速度为1-6 mmd，其变化速度明显高于一般回采巷道，原因为相邻采空区的残余应力的存在，使其位移量分占总位移量的11.3%和11.1%。 升高区 顶、帮发生位移的时间为1216天 。即测点距采面7O30 m范围内，机巷顶板位移速度一般为2030mmd，帮位移速度为15-26 mmd，其位移量分别占现测期间总位移量的24.6%和24.4。 急增区 顶、 帮发生明显位移
6、的时同为1016天，即测点距采面0-3 0 m 范围以内，机巷顶板位移速度一般为30100mmd，帮位移速度为26-80 mmd，其位移量分别占现测期同总位移量的64.1%和64.5%。 为保证工作面安全出口畅通无阻，在采动支撑压力急增区必须加强超前支护，缓升区则无此必要，至于升高区是否需要加强支护，应视具体情况而定。困该面为“孤岛”工作面，巷道受采动及相邻采空区残余应力双重影响，两巷压力显现明显，围岩变彤速度较大变形严重。因此该面两巷超前支护距离控制在3 0-45m为宜，最低不能小于30 m。 结论 a从现测结果来看。工作面周期来压步距7m， 和其它综采面相比，来压步距小，端头无明显来压现象
7、，但经常处于高压状态。 因此需对工作面端头加强管理。 b经现测数据整理分析和该面实际情况，两巷超前支护距离应控制在30-45m 为宜，最低为30m，才能保证两巷畅通无阻。 2.2孤岛工作面矿压显现规律研究 S1073综采工作面支架的工作状态主要为初撑力,一次增阻,二次增阻,多次增阻和降阻4种形式。初撑力状态时,顶板来压主要由煤体支撑,由于支架主动支撑故保持在初撑状态;一次增阻时,在工作面来压之前,工作面顶板下沉速度慢,随着顶板下沉支架载荷逐渐增大;经过一次下沉后形成一个暂时的平衡,减少了支架的载荷增加速度,经过一段时间后顶板再次快速下沉,使支架载荷增大速度加快,形成多次增阻。降阻状态,工作面周
8、期来压后,顶板压力较小,随着支架的前移,顶板冒落的矸石进一步充填采空区,减少了顶板传给支架的载荷,形成降阻。从顶板来压监测结果看,孤岛工作面顶板压力较大,两端头和工作面中部顶板来压时,均有接近支架额定工作阻力的载荷出现,甚至有超过支架工作阻力的冲击载荷出现。 初采20 m内两巷没有变化,再往外推进,两巷巷道开始变形。净煤柱较小(机巷5 m；风巷6米),随着工作面的推进,采空区与S10711和S1077采空区顶板悬臂梁不断增加,下沉,引起巷道顶煤与顶板离层且急剧下沉,造成巷道顶帮产生强烈位移;一般超前工作面煤墙3545 m巷道变形就很明显,超前1030 m范围内变形加剧,两帮水平收敛量达到0.6
9、1.2 m;顶底板移进量达到0.61.4 m。 当工作面回采约250 m时 ,两巷矿压显现比前期较剧烈 ,鼓底鼓帮、顶板下沉,有效断面缩小,影响了工作面的回采;超前压力剧烈影响距离约 50m,影响距离大于100 m。 该工作面老顶断裂产生的周期来压具有持续时间长、强度大的特点 ,从机巷沿工作面到风巷 ,煤壁片帮逐渐增大 ,煤炮声响越来越强、越来越密。经分析认为 ,这是开采引起的支承压力和老顶来压共同作用的结果。 在剧烈超前压力作用下, 上、下巷发生两帮挤出、顶煤下沉 ,导致断面收缩加快 ,有效断面减少很多;使通风和行人受阻。S1073工作面是童亭矿第一个“孤岛”工作面，两巷压力显现明显，巷道收
10、敛严重，对 工作面生产不利。为尽快了解“孤岛”工作面和两巷的 矿压显现规律，为安全生产提供科学依据，在工作面进行了矿压观测，取得了大量数据 ，得出了“孤岛”面矿压显现规律。 2.3 沿采面推进方向的规律( 周期来压) 在观测期间，采面连续推进时，每隔一段时间支护阻力升高一次， 显然是顶板来压显现特征。经过实测数据整理分析，“孤岛”工作面周期来压步距及影响范围：来压步距平均7m。 持续循环为2.1个，持续天数0.25天。影响范围1.2m 。 3、应用推广情况 孤岛工作面安全开采技术问题的解决已成为矿区发展需解决的主要技术难题，该问题的解决将会为提高矿区资源采出率，实现安全、高产、高效开采提供可靠
11、的保证。在解决s1073孤岛工作面安全开采中的相关技术问题上，做到了支护理念上的创新，技术体系上的创新。项目研究成果可以在淮北矿区类似条件下得到进一步的推广应用。 4、经济效益和社会效益： 该项目的成功应用为类似条件下孤岛工作面巷道布置、沿空掘巷围岩控制方案参数选取、孤岛工作面顶板稳定控制、冲击矿压预报与防治及工作面矿压分布规律等方面起到指导作用；同时提高了矿井煤炭采出率，减低了巷道返修率，有利于矿井可持续发展。该项目采用的技术具有先进性和创新性，通过本项目研究，对童亭煤矿S1073孤岛综采工作面的安全开采提出具体措施，避免覆岩对支架的冲击载荷，减少顶板事故，保证人员人身安全和机械设备的正常运转，消除引发冲击矿压的隐患，创造显著的经济与社会效益。揭示厚松散层薄基岩孤岛工作面的矿山压力及其覆岩运动规律和特征，从而解决工作面顶板矿压的控制等一系列科学问题。对于生产实践而言，防止了顶板事故的发生，保证了作业人员的安全和机械设备的正常运转，为童亭煤矿孤岛综采工作面的安全开采提供指导，具有十分重要的意义。