我国煤矿开采工作面顶板灾害及防治技术研究现状
作者：
徐刚, 张震, 张春会, 范志忠, 卢振龙, 黄志增, 陆闯, 薛吉胜, 王传朋, 陈法兵, 李岩, 刘前进, 李正杰, 孙晓冬, 蔺星宇, 马镕山
作者单位：
1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部, 北京 100013;
2. 中煤科工开采研究院有限公司, 北京 100013;
3. 河北科技大学 建筑工程学院, 河北 石家庄 050018;
4. 辽宁工程技术大学 力学与工程学院, 辽宁 阜新 123000
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摘要
从岩层控制理论、监测预警技术及装备、矿压规律及数据分析、防控手段等方面系统地阐述了当前我国煤矿开采工作面顶板灾害方面的研究现状。当前工作面顶板灾害依然是制约我国煤矿安全生产的重要因素, 近两年来无论是顶板灾害起数还是伤亡人数, 均呈明显上升的趋势, 顶板灾害防控依然严峻。在矿压基础理论研究方面, 国内科研人员相继提出了“砌体梁”、“传递岩梁”、“组合悬臂梁–铰接岩梁”、“切落体”和“分区支撑理论”等力学结构模型, 明确了不同岩层赋存条件下顶板灾害致灾机理; 在顶板灾害监测预警方面, 我国煤矿已经开始摆脱传统单一的近场矿压监测, 逐步向工作面近、远场顶板状态联合实时监测、动态感知、协同预警发展, 实现矿压监测系统监测近场支架工作阻力、顶板下沉量、煤体应力等, 微震监测系统监测工作面远场上覆岩层顶板断裂位置和能量大小; 在矿压规律及数据分析方面, 总结了浅埋深、坚硬顶板、非坚硬顶板不同围岩赋存状态下工作面矿压规律, 明确了各条件下支架工作阻力的增阻特性; 在顶板灾害防治方面, 针对不同围岩赋存条件下易发生的顶板灾害类型, 形成了相对应的顶板灾害防治技术, 针对矿压显现较强烈, 容易发生顶板灾害的坚硬顶板矿井, 通过顶板深孔爆破、浅孔水力压裂、井下定向区域水力压裂、地面水力压裂等技术, 有效地预防了顶板灾害的发生。总体而言, 我国工作面顶板灾害防控理论及技术体系仍在不断完善, 随着新技术的不断发展和智能化矿井的建设, 顶板灾害的智能预警及联动防控将获得更大的发展。
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图 1 近年来煤矿顶板事故数量及死亡人数统计
图 2 现场工作面片帮、冒顶
图 3 工作面顶板大面积突然垮落示意
图 4 工作面顶板大面积突然垮落支架损坏
图 5 工作面大面积切顶压架
图 6 工作面顶板灾害引发的次生灾害关系
图 7 工作面冒顶导致溃水溃砂
图 8 岩层运动分区模型
图 9 大能量事件前后163号支架工作阻力
图 10 大能量事件微震监测发生位置
图 11 微震台网布置对比示意
图 12 井上下微震联合监测系统架构
图 13 两种微震监测分布下监测效果对比
图 14 矿压监测软件界面
图 15 某矿132号支架工作阻力分析曲线
图 16 上湾煤矿12401工作面支架压力云图
图 17 上湾煤矿12401工作面64号支架工作阻力曲线
图 18 千树塔煤矿13302工作面支架压力曲线
图 19 崔木煤矿303工作面支架压力云图
图 20 崔木煤矿303工作面支架工作阻力曲线
图 21 长平煤矿5302工作面支架压力云图
图 22 长平煤矿5302工作面支架工作阻力曲线
图 23 不同顶板工作面均化循环 ΔF–T 曲线
图 24 不同顶板灾害防治技术路线
图 25 工作面液压支架架型
图 26 上湾煤矿12401工作面循环顶板下沉量
图 27 支架初撑力与顶板下沉量和速度关系曲线
图 28 崔木煤矿302工作面5月31日压架时支架工作阻力曲线
图 29 不同支架刚度对顶板下沉量的影响
图 30 炮孔爆破后各区分布示意
图 31 顶板处理高度及炮孔布置
图 32 顶板浅孔“钻−切−压”示意
图 33 煤矿井下长水平孔区域压裂技术和装备构成
图 34 地面压裂示意
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