采礦工程專業學生大創項目申報與研究
——以淺埋深大采高首采工作面礦壓變化規律研究為例

楊長德，牛 昆，楊小龍，蔡新勝

(新疆工程學院 礦業工程與地質學院，烏魯木齊 830023)

自教育部“十二五”期間提出“支持在校大學生開展創新創業訓練”以來，在全國范圍內陸續實施了國家級、省級和校級等大學生創新創業訓練計劃項目(簡稱“大創項目”)，支持并鼓勵學生學以致用、實踐創新，通過項目培養能力、解決問題，為提高大學生的理論知識與實踐能力奠定了基礎。

1 研究現狀

我國關于淺埋條件下的煤層開采始于19世紀80年代，當時由于開采方式以房柱式開采為主，礦壓顯現及其對地表的破壞影響較小。隨著煤炭開采逐漸采用長壁綜采技術、長壁大采高技術和長壁綜采放頂煤技術，造成大規模的頂板破壞和地表沉陷，因此，淺埋煤層開采的礦壓規律研究逐漸成為煤炭科技發展需要研究的難題。黃慶享等人對淺埋煤層工作面進行了礦山壓力及其顯現實測，根據現場條件開展了相似模擬試驗，提出了淺埋煤層基本頂周期來壓出現動載的本質原因在于其在破斷時形成“短砌體梁”或“臺階巖梁”結構，并進一步指出“短砌體梁”結構和“臺階巖梁”結構的相鄰巖塊間水平力大小都隨塊度的增大而下降，兩類頂板結構條件下的巖塊斷裂后都將出現滑落失穩，這被認為是淺埋煤層工作面基本頂初次來壓、周期來壓顯現強度大和直接頂出現臺階狀下沉的主要原因。提出支架—圍巖相互作用關系是一個動態運動的過程，這對工作面現場制定支架—圍巖控制措施具有重要實踐指導意義。侯忠杰等人通過相似材料模擬試驗和現場礦壓觀測，分析得出了神東礦區淺埋煤層礦壓顯現的基本特點。此外，國內眾多煤炭高校與科研院所對于淺埋煤層不同頂板條件時的開采礦壓規律進行了大量研究，豐富了礦壓規律的理論研究與實踐。

2 項目概述

以采礦專業學生組隊申報、專業教師指導的淺埋深大采高首采工作面礦壓變化規律研究大創項目為例，通過分析淺埋煤層大采高綜采工作面實際條件，研究其礦山壓力及其顯現規律，對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需求展開研究，對煤壁片幫的控制、煤壁片幫的關鍵影響因素，進行礦壓觀測以獲得第一手礦壓數據與資料，分析得出礦壓觀測過程中出現異常礦壓的原因。為煤礦后續生產和設計服務，以項目申報、立項、開展研究等過程來培養學生實踐創新能力。

3 研究目的與內容

3.1 研究目的

為了系統地掌握礦壓顯現規律，為制定具有針對性的礦壓控制措施服務，以某礦首采工作面為研究對象，開展具有針對性的礦壓規律觀測、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特征，還能找出所選支架工作狀況和圍巖穩定性的關系，評價液壓支架—圍巖的適應性。通過掌握礦壓規律，進一步掌握綜采面來壓前后支架的支護效率，制定該條件下支架操作方法和頂板管理技術，對于準確預測本礦相似條件下基本頂初次來壓和周期來壓的時間和空間位置，制定和實施來壓時支架—圍巖控制措施，減少綜采面事故發生、保障安全順利開采等方面都具有重要意義。

3.2 研究內容

一是現場調研煤層的賦存特點、頂底板條件，收集首采工作面的生產條件和地質條件，初步分析煤層首采面開采時可能存在的問題。二是分析首采面的設計條件、支架使用條件和煤層條件等，設計礦壓觀測的觀測內容和觀測頻率，形成具有針對性的礦壓觀測方案，并設計合理的礦壓觀測頻率和觀測進度。三是統計和分析觀測數據，綜合液壓支架觀測信息和實際礦壓顯現觀測信息，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，計算來壓和非來壓期間的動載系數，并分析液壓支架的適應性。四是統計和分析綜采面超前段的礦壓觀測數據，得出超前支承壓力分布規律和分布范圍，同時制定相應的控制措施。

4 項目開展的技術路線

4.1 理論分析

運用地質學、煤礦開采學、礦山壓力與巖層控制等理論，結合現場生產和地質條件，研究分析工作面上覆巖層分布特點，分析討論某煤礦首采工作面開采時可能存在的問題。

4.2 實驗室模擬研究

采用計算機軟件模擬工作面開采進度、工作面頂板厚度以及支架阻力不同時的基本頂頂板破斷特征和直接頂運移特征，得出頂板運移規律和應力場分布特征。

4.3 煤礦現場實測

設計觀測方案，現場實測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阻力值。

4.4 數理統計分析

利用數理統計分析方法，統計支架液壓信息的初撐力和循環末阻力，繪制兩力的時間序列圖，從中研究首采面礦壓顯現規律，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 結語

以淺埋深大采高首采工作面礦壓變化規律研究為例，結合我校采礦工程專業學生大創項目育人功能現狀，從項目研究現狀、研究目的、研究內容以及技術路線等方面展開分析，為采礦工程專業學生大創項目申報與研究提供借鑒意義，對采礦工程專業學生實踐能力與創新能力的培養具有一定指導意義。