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十年磨一剑 特厚煤层大空间坚硬岩层控制理论技术突破岩层控制世界性难题
发布时间:2019-05-07

  顶板事故起数和伤亡人数长期以来一直位居煤矿各类事故首位,岩层破裂还是瓦斯、水害等事故的主要诱因,同时直接影响开采工艺与生产效率,因此,岩层控制是煤矿安全高效开采的核心。由于地下工程的隐蔽性和复杂性,岩层运动规律难以掌控,是亟待攻克的世界性难题。

  图1 大空间覆岩运移连续监测体系

  目前对于坚硬顶板特厚煤层采场矿压的研究范围涉及空间不足,缺乏覆岩整体运移监测技术以及适用于研究大空间采场的科学理论,难以准确揭示大空间采场坚硬岩层运动规律及强矿压显现机理,更缺少高位坚硬岩层主动控制技术。针对上述理论与技术难题,同煤集团积极争取国家、省部重大科技支撑计划,联合科研院校,生产厂家发挥科技人员的聪明才智和前人丰富成果,对大同矿区坚硬顶板特厚煤层(15~23m)开采,采场空间大,覆岩扰动范围广,顶板的破断运移及矿压作用复杂,工作面开采过程中支架压死、巷道破坏等强矿压等问题,大胆攻关研究,经近十年的不断创新实践,研发出了煤矿大空间采场坚硬岩层控制理论与关键技术。该项目不仅解决了大同坚硬顶板特厚煤层复杂开采条件下的工程技术难题,更在攻克岩层运动精准认知和科学预控的世界性难题上取得了突破,具有重要的科学价值。对特厚煤层坚硬复杂岩层控制理论技术具有重要的科学引领示范作用,在矿压理论、大空间岩层运移原位实测和坚硬岩层控制技术等方面均达到了国际领先水平。

图2 大空间覆岩破断结构与矿压作用规律

  同煤集团课题组技术人员先容,该技术主要取得了以下重要成果:

  一是揭示了大空间覆岩破断结构特征。该项目研发了大空间岩层运动原位监测成套技术与装备,探明了大空间覆岩“悬臂梁+砌体梁+高位结构”的复杂破断结构特征,掌握了各层位结构失稳的矿压规律。在攻克岩层运动精准认知的世界性难题上取得重大进展,为大空间采场坚硬岩层控制理论的建立奠定了基础。

  二是提出了大空间采场坚硬岩层控制理论。首次定义了大空间采场并划分为远场和近场,建立了大空间采场覆岩破断结构力学模型,阐明了远、近场结构失稳的矿压作用机制,揭示了大空间覆岩结构失稳的强矿压显现机理,丰富发展了矿山压力与岩层控制理论,为强矿压防控提供了依据。

  三是发明了地面压裂坚硬岩层控制采场矿压的方法。研发了大型真三轴多功能试验系统,开展了大尺度(1420×530×420mm)原位试件水力压裂试验,揭示了坚硬岩层水压裂缝扩展规律;建立了压裂时空参数选取准则,开发了水压裂缝扩展监控技术,研发了水平井体积压裂和垂直井分级压裂技术,构建了煤矿顶板地面压裂精准控制技术体系,填补了高位坚硬岩层控制的国际空白。

  四是构建了坚硬顶板远近场协同预控技术体系。开发了井下深孔承压爆破技术,首创了链臂锯连续切割、射孔定向造缝的切顶卸压成套技术与装备,实现了近场岩层垮落的准确控制;构建了顶板弱化与卸压开采的远近场协同控制技术体系,实现了采场矿压控制由被动治理向主动预控的转变。  


图3 大型真三轴原位试件水力压裂试验


图4 链臂锯连续切割成套装备

  该项技术不仅在理论方面取得了重大突破,在实际生产应用当中,已在大同千万吨级厚煤层综放工作面广泛应用,创工作面月产151 万吨,生产ca88亿吨无死亡的世界顶级水平,近三年创造效益16.7亿元。



来源:同煤集团科协
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