采礦工程專業(yè)學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目申報(bào)與研究
——以淺埋深大采高首采工作面礦壓變化規(guī)律研究為例

楊長(zhǎng)德，牛 昆，楊小龍，蔡新勝

(新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，烏魯木齊 830023)

自教育部“十二五”期間提出“支持在校大學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練”以來，在全國范圍內(nèi)陸續(xù)實(shí)施了國家級(jí)、省級(jí)和校級(jí)等大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱“大創(chuàng)項(xiàng)目”)，支持并鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用、實(shí)踐創(chuàng)新，通過項(xiàng)目培養(yǎng)能力、解決問題，為提高大學(xué)生的理論知識(shí)與實(shí)踐能力奠定了基礎(chǔ)。

1 研究現(xiàn)狀

我國關(guān)于淺埋條件下的煤層開采始于19世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)由于開采方式以房柱式開采為主，礦壓顯現(xiàn)及其對(duì)地表的破壞影響較小。隨著煤炭開采逐漸采用長(zhǎng)壁綜采技術(shù)、長(zhǎng)壁大采高技術(shù)和長(zhǎng)壁綜采放頂煤技術(shù)，造成大規(guī)模的頂板破壞和地表沉陷，因此，淺埋煤層開采的礦壓規(guī)律研究逐漸成為煤炭科技發(fā)展需要研究的難題。黃慶享等人對(duì)淺埋煤層工作面進(jìn)行了礦山壓力及其顯現(xiàn)實(shí)測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件開展了相似模擬試驗(yàn)，提出了淺埋煤層基本頂周期來壓出現(xiàn)動(dòng)載的本質(zhì)原因在于其在破斷時(shí)形成“短砌體梁”或“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步指出“短砌體梁”結(jié)構(gòu)和“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)的相鄰巖塊間水平力大小都隨塊度的增大而下降，兩類頂板結(jié)構(gòu)條件下的巖塊斷裂后都將出現(xiàn)滑落失穩(wěn)，這被認(rèn)為是淺埋煤層工作面基本頂初次來壓、周期來壓顯現(xiàn)強(qiáng)度大和直接頂出現(xiàn)臺(tái)階狀下沉的主要原因。提出支架—圍巖相互作用關(guān)系是一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的過程，這對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)制定支架—圍巖控制措施具有重要實(shí)踐指導(dǎo)意義。侯忠杰等人通過相似材料模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)，分析得出了神東礦區(qū)淺埋煤層礦壓顯現(xiàn)的基本特點(diǎn)。此外，國內(nèi)眾多煤炭高校與科研院所對(duì)于淺埋煤層不同頂板條件時(shí)的開采礦壓規(guī)律進(jìn)行了大量研究，豐富了礦壓規(guī)律的理論研究與實(shí)踐。

2 項(xiàng)目概述

以采礦專業(yè)學(xué)生組隊(duì)申報(bào)、專業(yè)教師指導(dǎo)的淺埋深大采高首采工作面礦壓變化規(guī)律研究大創(chuàng)項(xiàng)目為例，通過分析淺埋煤層大采高綜采工作面實(shí)際條件，研究其礦山壓力及其顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)在回采工作面液壓支架—圍巖礦壓、基本頂初次斷裂步距、基本頂周期來壓步距、支架工作阻力與工作面的頂板支護(hù)需求展開研究，對(duì)煤壁片幫的控制、煤壁片幫的關(guān)鍵影響因素，進(jìn)行礦壓觀測(cè)以獲得第一手礦壓數(shù)據(jù)與資料，分析得出礦壓觀測(cè)過程中出現(xiàn)異常礦壓的原因。為煤礦后續(xù)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)服務(wù)，以項(xiàng)目申報(bào)、立項(xiàng)、開展研究等過程來培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3 研究目的與內(nèi)容

3.1 研究目的

為了系統(tǒng)地掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為制定具有針對(duì)性的礦壓控制措施服務(wù)，以某礦首采工作面為研究對(duì)象，開展具有針對(duì)性的礦壓規(guī)律觀測(cè)、分析與研究工作，不僅可以得出該首采工作面的具體礦壓顯現(xiàn)特征，還能找出所選支架工作狀況和圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系，評(píng)價(jià)液壓支架—圍巖的適應(yīng)性。通過掌握礦壓規(guī)律，進(jìn)一步掌握綜采面來壓前后支架的支護(hù)效率，制定該條件下支架操作方法和頂板管理技術(shù)，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)本礦相似條件下基本頂初次來壓和周期來壓的時(shí)間和空間位置，制定和實(shí)施來壓時(shí)支架—圍巖控制措施，減少綜采面事故發(fā)生、保障安全順利開采等方面都具有重要意義。

3.2 研究?jī)?nèi)容

一是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研煤層的賦存特點(diǎn)、頂?shù)装鍡l件，收集首采工作面的生產(chǎn)條件和地質(zhì)條件，初步分析煤層首采面開采時(shí)可能存在的問題。二是分析首采面的設(shè)計(jì)條件、支架使用條件和煤層條件等，設(shè)計(jì)礦壓觀測(cè)的觀測(cè)內(nèi)容和觀測(cè)頻率，形成具有針對(duì)性的礦壓觀測(cè)方案，并設(shè)計(jì)合理的礦壓觀測(cè)頻率和觀測(cè)進(jìn)度。三是統(tǒng)計(jì)和分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，綜合液壓支架觀測(cè)信息和實(shí)際礦壓顯現(xiàn)觀測(cè)信息，分析淺埋條件下的綜采面直接頂垮落步距、本頂初次來壓步距和周期來壓步距，計(jì)算來壓和非來壓期間的動(dòng)載系數(shù)，并分析液壓支架的適應(yīng)性。四是統(tǒng)計(jì)和分析綜采面超前段的礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出超前支承壓力分布規(guī)律和分布范圍，同時(shí)制定相應(yīng)的控制措施。

4 項(xiàng)目開展的技術(shù)路線

4.1 理論分析

運(yùn)用地質(zhì)學(xué)、煤礦開采學(xué)、礦山壓力與巖層控制等理論，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和地質(zhì)條件，研究分析工作面上覆巖層分布特點(diǎn)，分析討論某煤礦首采工作面開采時(shí)可能存在的問題。

4.2 實(shí)驗(yàn)室模擬研究

采用計(jì)算機(jī)軟件模擬工作面開采進(jìn)度、工作面頂板厚度以及支架阻力不同時(shí)的基本頂頂板破斷特征和直接頂運(yùn)移特征，得出頂板運(yùn)移規(guī)律和應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

4.3 煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

設(shè)計(jì)觀測(cè)方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)首采工作面液壓支架液壓信息、工作面冒頂片幫信息以及工作面超前段兩巷的變形量和超前單體液壓支柱的支護(hù)阻力值。

4.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，統(tǒng)計(jì)支架液壓信息的初撐力和循環(huán)末阻力，繪制兩力的時(shí)間序列圖，從中研究首采面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得出直接頂初次垮落步距、基本頂初次來壓步距、周期來壓步距等。

5 結(jié)語

以淺埋深大采高首采工作面礦壓變化規(guī)律研究為例，結(jié)合我校采礦工程專業(yè)學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目育人功能現(xiàn)狀，從項(xiàng)目研究現(xiàn)狀、研究目的、研究?jī)?nèi)容以及技術(shù)路線等方面展開分析，為采礦工程專業(yè)學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目申報(bào)與研究提供借鑒意義，對(duì)采礦工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有一定指導(dǎo)意義。