煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究

煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究四川芙蓉集团实业有限责任公司中国矿业大学（北京）山东科大中天电子有限公司立项背景及总体思路1汇报内容主要研究内容2关键技术及创新点3技术经济指标及知识产权4推动行业科技进步的作用5应用推广和经济社会效益6顶板及煤与瓦斯突出占煤矿各类事故死亡人数65%，为事故之首，西南三省更严重其中60%以上的顶板和煤与瓦斯突出事故发生在工作面顺槽，是最大安全威胁工作面顺槽布置方式分为：常规留煤柱开采和传统无煤柱沿空留巷开采一、立项背景及研究思路1、立项背景水害19.1%顶板17.2%瓦斯50.7%西南地区最为严重2009年全国煤矿事故死亡人数比例图2006-2008年部分省区煤矿年平均顶板事故长壁留煤柱开采方法一、立项背景及研究思路采空区第一工作面第二工作面下顺槽上顺槽上顺槽下顺槽第二工作面常规留煤柱开采：我国煤矿90%为长壁开采，常规留煤柱开采岩层断裂移动引起力学叠加和扰动，破坏顶板和形成集中应力，是造成冒顶、瓦斯突出、火灾等自然灾害加剧的根本力学因素。且由于顺槽煤柱的存在，将多丢煤炭8%，多掘顺槽巷道50%。留设煤柱回采煤层一、立项背景及研究思路第二工作面第一步：第一个工作面上下顺槽施工第一工作面下顺槽上顺槽原始煤层及应力分布一、立项背景及研究思路第二工作面第一工作面回采下顺槽上顺槽第二步：第一个工作面回采及顶板垮落采空区矸石第二工作面第二工作面三、关键技术及创新点顶板自然垮落模型顶板自然垮落应力双峰模型长壁无煤柱开采方法一、立项背景及研究思路采空区第一工作面第二工作面下顺槽上顺槽上顺槽下顺槽传统无煤柱沿空留巷开采：上世纪60年代，以德国、英国为主开始研究，从强支护到薄煤皮及巷旁充填，均为刚性被动支护，存在：护巷安全可行性差、成本高、劳动强度大、生产效率低等缺点。近年中国对煤炭的强烈需求，促进了无煤柱开采技术攻关，开发出了高水材料及其输送泵，仍难以满足现场应用需要。导致无煤柱安全高效经济开采这一世界性技术难题，至今尚未攻克。回采煤层一、立项背景及研究思路传统留巷方法及顺槽施工采空区矸石第二工作面留煤柱掘巷外应力场掘巷原始应力场掘巷第二工作面小煤柱掘巷采空区矸石第二工作面沿空留巷巷旁充填第二工作面切顶卸压沿空成巷设计研究工业应用研究远程实时监控预警中心恒阻锚杆静力测试系统岩石水理作用测试系统T-P耦合瓦斯运移测试系统恒阻锚杆动力测试系统成巷力学模型试验台恒阻锚网索支护设计聚能爆破切缝设计远程实时在线监测设计切顶卸压沿空成巷试验平台研发配套关键技术研发恒阻让压支护技术爆破切缝技术治灾技术措施切顶卸压沿空成巷理论研究数学力学理论模型采场应力分布特征数值计算力学模型切顶支护阻力确定矿压远程监测技术2、研究思路：为有效防范安全事故和提高煤炭资源回收，从而提出了本课题。建立主动切顶卸压成巷无煤柱开采新技术理论。项目总体研究技术路线图一、立项背景及研究思路1、主动切顶卸压沿空成巷机理及力学模型研究建立切顶卸压沿空成巷力学、物理、数值模拟实验模型，研究切顶卸压沿空成巷过程中的变形失稳规律，以及采矿参数等工程条件的影响规律，找出主控参数，构建力学模型试验系统，揭示主动切顶卸压沿空成巷机理。2、主动切顶卸压沿空成巷试验测试平台研发构建切顶卸压沿空成巷试验物理力学模型系统，解决主动切顶卸压沿空成巷模拟及工业设计参数优化难题；研究建立沿空成巷过程中的T-P耦合瓦斯突出与解析模拟实验装置、围岩吸水软化试验装置，解决室内实验设备问题。3、双向聚能爆破主动切顶装置及技术研发开发适用煤矿的新型双向聚能爆破装置，及双向聚能爆破预裂顶板技术，解决既能主动切顶，又尽可能减少因爆破对沿空巷道围岩破坏的技术难题。二、主要研究内容4、新型恒阻大变形锚杆索支护材料及技术研发开发适用沿空巷道变形规律的新型锚杆索支护材料，及与之配套的测试平台。解决现有支护材料难以适应沿空巷道变形，岩层断裂扰动造成的支护技术难题。5、矿压远程实时监测及预警系统的研发开发沿空巷道矿压在线实时监测及预警系统，解决常规人工观测不能及时掌握矿压显现规律和改变支护的技术难题。6、主动切顶卸压沿空成巷工艺的研发研究并建立主动切顶卸压沿空成巷的系统工艺，解决理论技术的工业应用问题。二、主要研究内容1、建立了主动切顶卸压沿空成巷新技术理论切顶卸压沿空成巷——预裂高度卸压效应三、关键技术及创新点（a）预裂高度2m最大主应力场（b）预裂高度4m最大主应力场（c）预裂高度6m最大主应力场（d）预裂高度8m最大主应力场三、关键技术及创新点顶板自然垮落模型顶板自然垮落应力双峰模型需切顶沿空成巷位置切顶卸压沿空成巷力学模型图三、关键技术及创新点工作面下一工作面锚索5—7天30天以上三、关键技术及创新点巷旁支护体巷道煤体αqsinαNBPqyNAcdATAMBqcosαTBeMLTBNCTCCx0qcosα00预裂切缝切顶卸压沿空成巷数学力学模型恒阻锚索三、关键技术及创新点沿空切顶模型沿空切顶成巷应力双峰模型巷旁单体支柱切落成巷帮恒阻锚索三、关键技术及创新点沿空切顶支护阻力：20001[(cos)()(sincos)()2qLCPMqlNxcdqqxcd5—7天00000()()]/()22xCByhdTSMxxdxxc000002tanexptantanxyCPCAMA其中：000000tanlnP2tantanxCkrhMAxCA20210010217mmLbblxcdLb21cos22LCCChMTSqlNlsin2CCLqThS煤岩T-P耦合瓦斯解析运移特性实验装置2、研发了主动切顶卸压沿空成巷试验测试平台三、关键技术及创新点TP耦合气化效应实验主机出气管口高灵敏度微压传感器高灵敏度流量计量仪放气口气相色谱分析仪K2K1三、关键技术及创新点切顶成巷物理力学模型试验装置切顶成巷围岩水理测试试验装置模拟了不同煤岩参数条件下，最佳的主动切顶卸压成巷技术指标和操作工艺，提高了成巷的安全可行性。3、研发了沿空切顶双向聚能爆破装置及技术：发明了适用于煤矿切顶的双向聚能爆破装置，研发了沿空切顶双向聚能控制爆破技术，解决了沿空巷道顶板预裂爆破时对围岩破坏的技术难题。采三、关键技术及创新点灰岩聚能爆破效果花岗岩聚能爆破效果沿空切顶成巷井下聚能爆破切缝预裂后切落块体采三、关键技术及创新点4、研发了恒阻大变形锚索（杆）新型支护材料及技术三、关键技术及创新点传统锚杆（索）存在问题：延伸量低(80mm)，无法适应沿空巷道大变形及冲击大变形，过早破断失去承载力适合于切顶卸压沿空成巷的支护材料——恒阻大变形锚索(杆)恒阻力达到120～130KN延伸量达到0.3～0.65m动态9820.5J冲击能量，冲击5次，锚索伸长量达1.0～1.2m仍能保持有效支护,可以充分适应沿空巷道大变形及冲击大变形对延伸量的要求，处于领先水平。恒阻大变形装置锚索杆体锚索托盘恒阻大变形锚杆结构设计示意图恒阻锚杆索静力测试平台恒阻锚杆索冲击动力测试平台控制台主机系统三、关键技术及创新点三、关键技术及创新点5、研发了矿压远程实时监测及预警系统现场监测数据就地储存发送到远程工作室(矿井、北京试验室)自动实时分析判断隐患预警管理、现场、试验室采取措施防止事故北京试验室监测中心白皎煤矿监测中心监测参数：采集锚索荷载、顶板离层量、矿压三、关键技术及创新点巷道围岩稳定应力传感器应力信号储存应力信号发射离层岩体深部岩体相互作用应力监测应力信号激发应力信号接收应力状态稳定应力状态不稳定围岩稳定性判定及控制对策巷道工程情况应力动态曲线应力信号处理巷道围岩分区巷道测点布置岩体应力动态显示应力预警曲线室内接收分析系统现场采集发射系统5—7天三、关键技术及创新点锚索受力仪安装顶板离层仪安装井上监测中心界面远程监测中心界面6、研发了切顶卸压沿空成巷工艺流程三、关键技术及创新点施工采面上下顺槽→下顺槽采空侧超前加固锚索及顶板预裂爆破施工→动压临时加强支护及远程实时监测系统布设→工作面回采→高强沿空挡矸支护，采场顶板周期来压自动切顶卸压成巷→回收工作面后方矿压稳定区沿空成巷内支护材料，并喷浆封闭采空区→第二个采煤工作面无煤柱开采。切顶卸压成巷无煤柱开采示意图四、主要技术经济指标及知识产权采空区第一工作面第二工作面下顺槽上顺槽上顺槽下顺槽1、试验区安全沿空成巷460米，并实现了第二个工作面的无煤柱开采。为世界首次实现自动成巷无煤柱开采。回采煤层工作面机巷后方切顶成巷断面图工作面后方150m工作面后方50m工作面后方100m工作面后方200m工作面后方350m工作面后方450m四、主要技术经济指标及知识产权第二工作面风巷前方二次复用断面图工作面前方30m工作面前方200m工作面前方300m工作面前方350m工作面前方400m工作面前方450m四、主要技术经济指标及知识产权2、试验区沿空成巷每米造价465.78元，仅为原传统方法(每米造价3075元)的15%，相比节约85%，即2609元/米，共节约120万元。3、与常规留煤柱开采相比：①.少掘一条460米的巷道及矸石运输排放，节约182万元。②.多回收10米宽的煤柱资源10626吨，增加产值441.6万元。③.节约防突工程费312.8万元。④节约巷道施工时间3个月，使第二个工作面提前3个月开采，多出煤86742t，直接效益867万。共计1803.4万元。4、安全威胁大幅降低，社会效益显著。采用沿空成巷后，消除了常规留煤柱开采顺槽巷道施工存在的煤与瓦斯突出等安全威胁。采用Y型通风和底板网格强力抽采瓦斯技术，瓦斯威胁大幅降低。由于采用超前作业，避免了传统沿空留巷需大量人员搬运材料设备，进入沿空留巷段长时间高强度施工作业的安全风险，安全威胁和职工劳动强度大幅降低，采煤生产效率提高15%左右。取消了传统高水充填护巷材料，减少了环境污染和能源消耗。四、主要技术经济指标及知识产权四、主要技术经济指标及知识产权获国家发明专利5项序号名称专利号专利类型1一种双向聚能张拉成型爆破管ZL200610113007X发明专利2一种用于测试地层深部软岩水理作用的测试仪ZL200610113006.5发明专利3一种深部岩体工程灾害模型实验方法ZL200710119124.1发明专利4一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法ZL200710119125.6发明专利5一种测试煤岩体中气体运移过程的方法及装置ZL200910088810.6发明专利公开发表学术论文3篇四、主要技术经济指标及知识产权序号作者论文名称期刊名称发表时间1何满潮,陶志刚滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用岩石力学与工程学报2009.62何满潮,王春光单轴应力-温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征岩石力学与工程学报2010.53何满潮,张国锋白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究采矿与安全工程学报2011.10经国家一级查新机构，煤炭技术信息研究院科技查新中心查新，结论为:国内外未见与煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究相同内容的报道。四、主要技术经济指标及知识产权经省科技厅组织相关院士组成的专家组鉴定，认为：“该项目坚持理论、实验室研究、现场应用和实践检验的紧密结合，在实践中得到成功应用，消除了工作面留设煤柱引发的顶板事故、冲击地压、煤与瓦斯突出等安全隐患，经济社会效益显著。研究的创造性、系统性、科学性方面达到了新的高度，达到了国际领先水平，具有广阔的推广前景。针对常规留煤柱开采和传统沿空留巷无煤柱开采的技术理论难点，建立了主动切顶卸压沿空成巷无煤柱开采理论。变被动支护留巷为主动切顶卸压成巷，变害为利，解决了无煤柱安全高效经济开采世界难题，为煤矿安全高效生产提供了重要的技术支撑，具有很好的示范和带动作用。由于理论先进，可操作和实用性强，安全威胁小，成本低，劳动生产效率高等优势。能较好的促进煤炭企业大规模推广应用，并提升中国煤炭行业开采的技术装备水平。由于拥有相关自主知识产权，且降低了环境污染和能