浅埋深房柱采空区下采动诱发动载矿压机理及其控制技术

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石圪台矿3-1煤二盘区回采区域上覆有综采采空区、房采区和实体煤,开采条件复杂。31201综采工作面在推过上覆采空区集中煤柱15.5m时,突然发生切顶,多台支架被压死,支架压力瞬间达到45MPa~80MPa,严重影响了矿井的安全生产。为了避免石圪台煤矿3-1煤二盘区开采时再次出现类似灾害事故,对该矿31201、31202-1工作面矿压显现规律和动载矿压发生机理进行研究,提出合理的动载矿压控制技术措施。分析工作面来压步距、来压持续长度以及微震事件能量等指标,得到31201工作面各个区域的来压强度关系为:过集中煤柱后一次大面积来压强度>2-2煤房柱式采空区回收率较低区域来压强度>过柳根沟上坡段来压强度>过集中煤柱前后平时区域来压强度;31202-1工作面各个区域的来压强度关系为:过房柱式采空区段来压强度>过旺采区段来压强度>过长壁采空区段来压强度>过实体煤段来压强度。对31201工作面和31202-1工作面地表进行地表移动观测,分析工作面推进不同位置的地表下沉规律,根据起动距、超前影响角等数据分析,得到上覆煤层为房采区、综采区和旺采区的区域各指标明显大于上覆煤层为实体煤的区域。采用钻孔电视观测,未受31201工作面采动影响条件下2-2煤顶板的完整性的,2-2煤顶板垮塌后未与地表贯通;通过分析多点位移传感器数据,得到房柱式采空区下开采时,2-2煤顶板会超前工作面30m左右开始运动;煤柱在爆破后并未出现垮落,消除工作面过集中煤柱的大面积强动压风险。工作面超前影响距离平均36.8m,在21.2m范围内压力增大较为明显,超前支护距离设置在25m左右是合理的。采用FLAC3D数值模拟软件,工作面过集中煤柱12m左右时,集中煤柱失稳垮落,应力的转移导致煤柱大面积失稳,集中煤柱上覆新增荷载大大高于支架承载能力。支架工作阻力频率分析得到:31201工作面正常开采期间能基本满足要求,但是在有特殊顶板结构的条件下富余系数过小,支护能力偏小;31202-1工作面这说明支架受力状态总体比较理想,支架能满足支护要求。建立“单回转岩块”结构力学模型,得到浅埋煤层单回转岩块结构下整架支架工作阻力的计算公式,推到出不同顶板条件下的覆岩结构相应支架工作阻力计算公式。据每天微震事件数量和、总能量及多次矿压监测结果,结合多次上覆岩层大范围运动的宏观观测结果,总结得出工作面来压预警指标;提出了四种动载矿压治理方案,最终选择了爆破集中煤柱治理方案,大大降低了工作面过房柱式采空区集中煤柱的动压显现强度,解除了过集中煤柱所造成的压架风险。
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