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我国煤炭开采与岩层控制技术发展及展望2019年9月9日中国煤炭科工集团煤炭科学研究总院康红普2019年全国煤矿安全高效绿色开采与支护技术新进展目录CONTENTS前言采煤工艺与装备采场岩层控制技术展望巷道围岩控制技术冲击地压控制技术地表下沉及岩层移动控制技术一前言一、前言一、前言◼新中国成立70年来，全国累计生产煤炭840亿吨；◼煤炭产量从3200万吨到36.8亿吨，净增114倍；◼煤炭在我国一次能源生产和消费的比重占60%左右；◼为我国国民经济和社会长期平稳较快发展提供了可靠的能源保障，做出了巨大的历史性贡献。1.煤炭为国民经济和社会发展提供了能源保障煤炭◼软：煤岩层松软，强度低。煤层5-20MPa，沉积岩（泥岩、粉砂岩、砂岩等）10-60MPa。2.我国煤系地层地质力学特点一、前言◼地质构造复杂，煤岩体层理、节理、裂隙发育。顶板破碎巷帮破碎◼煤层埋藏深度50-1500m，千米深部资源多(53%)，地应力高，动力灾害严重。我国煤矿开采深度变化趋势一、前言◼工作面长度300-400m，推进长度4000m，采动影响范围大；◼垂直应力达原岩应力，采动影响强烈。采煤工作面与巷道周围采动应力场分布采动影响范围100m2-5倍原岩应力采动影响强烈一、前言3.煤矿生产特点一、前言◼煤矿技术装备水平明显提升。综采工作面年产量达15Mt。人均生产效率达1000吨/年，最高5万吨。原煤工效167.76吨/工；◼采煤、掘进机械化程度达78.5%、60.4%；◼煤炭生产实现从手工作业到机械化、自动化、信息化、智能化的历史跨越。已有183个智能化工作面。4.煤矿采掘机械化、自动化、智能化水平不断提高煤矿液压支架电液控制系统5.煤矿安全生产形势持续稳定好转煤炭产量与百万吨死亡率变化趋势◼煤矿安全状况得到根本改变；◼死亡人数由最高2002年6995人下降到2018年333人；百万吨死亡率由9.713下降到0.093。一、前言6.煤矿开采与岩层控制技术起到核心作用一、前言◼采煤工艺与装备；◼采场岩层控制；◼巷道围岩控制；◼冲击地压控制；◼地表下沉与岩层移动控制。众多单位学者做出贡献，主要基于煤科总院开采分院成果汇报二采煤工艺与装备巷道井工煤矿开采示意图我国煤矿以井工开采为主。煤矿5063座(生产3907座，在建1156座)，煤炭总产能43.55亿吨。井工煤矿95%，产能85%。二、采煤工艺与装备我国煤矿开采技术经历了人力→炮采→普采→综采综放开采→智能开采的发展阶段。1.采煤工艺发展历程二、采煤工艺与装备炮采—放炮落煤、木支柱支护◼人力及炮采二、采煤工艺与装备◼摩擦式金属支柱代替木支护摩擦式金属支柱二、采煤工艺与装备普采工作面◼普通机械化开采（普采）采煤机截煤，单体液压支柱支护顶板，运输机运煤。二、采煤工艺与装备◼综采是煤炭开采技术的重大变革。将采煤工作面主要生产环节—采、支、运、供电、检测、通信等有机结合、协同配置，极大提高了采煤效率与安全；◼1970年11月，我国第一套综采设备在大同煤峪口矿试验；2.综合机械化开采（综采）◼1974、1977年引进43、100套综采设备。自主研发，实现由引进消化吸收到创新引领的跨越发展。二、采煤工艺与装备✓1985年西山，工作面采高4.0m，平均月产达14.57万t；✓1986年邢台东庞矿4.5~4.8m采高，最高月产14.22万t。✓2003年晋城寺河矿，工作面支架最大高度5.2m，最高日产3万t。✓2005年神东万利一矿，大采高工作面年产600万t。✓2008年山西焦煤斜沟矿支架高度6.4m,工作面年产1000万t。✓2009年以来，陕北红柳林矿(7m)、兖矿金鸡滩矿(8.2m)及神东上湾矿(8.8m)厚煤层一次采全高开采技术与装备。◼综合机械化开采（大采高综采）二、采煤工艺与装备✓8.2m超大采高综采技术与装备，支架工作阻力21000kN，在金鸡滩矿成功应用，月产153万吨，年产1500万吨。金鸡滩矿8.2m超大采高综采工作面8.2m支架采煤机输送机金鸡滩矿8.2m超大采高综采工作面三机配套二、采煤工艺与装备采煤机：总功率，2925kW；采高，4.3-8.6m；生产能力:6000t/h✓8.8m超大采高综采技术与装备，支架工作阻力26000kN，在神东上湾煤矿成功应用。二、采煤工艺与装备3.综合机械化放顶煤开采◼1982年北京开采所引进法国综采放顶煤技术。1984年沈阳蒲河矿第一次井下试验；◼1985年窑街二矿厚度25m急倾斜特厚煤层水平分段放顶煤试验；◼1990年平顶山、阳泉、潞安、晋城、兖州、等推广应用。◼大采高综放开采技术装备。二、采煤工艺与装备✓综采放顶煤开采：大同14-20m厚煤层二、采煤工艺与装备三、煤炭开采技术及装备◼综采放顶煤开采：大同20m厚煤层✓特厚顶煤放煤理论与工艺➢针对15m特厚顶煤，提出三维放煤理论，得出三维放出体形态、煤矸分界面等，解决了特厚顶煤放出时易与矸石混合、导致顶煤回收率低的难题；➢提出“一采一放”、多轮间隔顺序多口放煤工艺，并辅以其它措施，提高了顶煤回收率。一采一放多轮间隔顺序多口放煤综放工作面顶煤、顶板运移状态放出体煤矸分界面顶煤二、采煤工艺与装备➢大缸底、大缸径双伸缩抗冲击立柱，提高了支架抗冲击性能；➢超高煤壁支护装置、特厚顶煤强扰动放煤机构，提高放煤效率；➢大采高综放液压支架，支护阻力达15000kN。大采高综放液压支架✓大采高、大吨位综放液压支架二、采煤工艺与装备采煤机端头超前支架刮板输送机下三角区液压支架三维立体防护装置四连杆式稳定机构4.大倾角煤层综采综放技术二、采煤工艺与装备5.薄煤层综采技术超大伸缩比双伸缩立柱，液压支架高度0.5m~1.4m高度，滚筒式采煤机、刨煤机，在多个矿区实现自动化高效开采。爬行作业液压支架采煤机刮板输送机二、采煤工艺与装备◼煤炭开采引起地表沉陷，出现地表裂缝，引起地面建筑物、地下水资源等破坏；◼充填开采的目的是控制上覆岩层运移，保护地表生态环境和地下水资源。6.充填开采技术二、采煤工艺与装备充填材料（固体、高水、膏体）；充填装备；充填工艺。◼充填开采关键技术二、采煤工艺与装备二、煤矿充填开采技术与理论研究充填开采技术日臻成熟，得到广泛应用。◼充填开采工艺二、采煤工艺与装备7.智能化开采◼随着我国经济发展方式的转变，煤炭行业也由粗放的生产方式向集约化、精细化方向转型，智能化开采成为煤炭安全高效开采的发展方向与必然趋势。◼国家发展改革委和国家能源局对外发布《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》明确：2030年实现智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化。◼国家安全监管总局：“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动。二、采煤工艺与装备◼智能化开采⚫“两”步走路线第一步：可视远程干预式：操作人员在顺槽监控中心远程遥控干预设备智能运行，工作面落煤区域无人操作。第二步：智能自适应：采煤机、液压支架等设备自适应自动化智能运行，就像飞机进入自动驾驶状态一样。二、采煤工艺与装备阶段2030年实现智能化开采重点煤矿区基本实现工作面无人化搭平台全智能自适应开采自动化1.0智能化2.03.04.0可视远程干预工作面自动找直LASC基于透明工作面智能割煤黄陵转龙湾神东阳煤黄陵⚫“四”个阶段二、采煤工艺与装备1.液压支架跟机自动化技术2.采煤机记忆截割技术3.工作面视频监控技术4.远程集中控制技术5.工作面直线度控制技术-LASC⚫“五”项关键技术液压支架跟机自动化技术二、采煤工艺与装备✓在黄陵煤矿率先实现“工作面有人巡视，无人操作；顺槽可视化控制，地面远程割煤”。✓智能化工作面183个。智能化开采⚫井下应用二、采煤工艺与装备三采场岩层控制技术三、采场岩层控制技术◼采场岩层运动、破断规律及岩层结构；◼围岩与支架相互作用机理，确定支架架型与支护强度；◼坚硬或破碎顶板及煤层的控制技术。煤柱开采方向裂隙带弯曲下沉带采煤机运输机液压支架破碎机皮带回风巷运输巷冒落带采空区采空区1000m工作面岩层控制液压支架运输机采煤机支架与围岩作用1.采场岩层控制研究内容三、采场岩层控制技术2.采场岩层运动、破断规律及岩层结构◼采场岩层在运动、破坏过程中会形成各种结构：压力拱、悬臂梁、铰接岩梁、砌体梁及传递岩梁等，随着工作面的推进不断移动、变化。◼钱鸣高院士上世纪70年代提出“砌体梁”理论，解释了工作面支架载荷随顶板岩梁断裂—稳定—结构失稳的变化特征；1996年提出“关键层”理论，解释了采场覆岩破坏规律。◼宋振骐院士于1978年提出“传递岩梁”理论。◼其他学者。三、采场岩层控制技术覆岩铰接岩梁结构覆岩组合悬臂梁—铰接岩梁结构覆岩组合悬臂梁—铰接岩梁—拱结构覆岩大组合悬臂梁结构✓针对综放开采工作面，提出覆岩组合短悬臂梁—铰接岩梁力学模型等。三、采场岩层控制技术✓针对浅埋煤层条件，提出采场基本顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型；承压拱结构模型，切落体模型等。滞后切落垂直切落超前切落三、采场岩层控制技术◼提出液压支架与围岩“强度、刚度、稳定性耦合”原理；◼基于“三耦合”原理，提出液压支架合理支护强度确定方法3.围岩与支架相互作用机理及支护强度液压支架与围岩耦合支护原理三、采场岩层控制技术◼坚硬顶板控制技术—水力压裂坚硬顶板煤层采煤工作面坚硬顶板钻孔岩石封孔器横向切槽封孔器压裂裂缝定向水力压裂示意图工作面切眼13061巷13063巷压裂孔180m15m20m20m20m20m20m20m20m25m15°压裂钻孔布置工作面切眼13061巷13063巷压裂孔180m25m70°25m25m25m25m25m25m4.坚硬或破碎顶板及煤层的控制技术三、采场岩层控制技术◼坚硬顶板控制技术—深孔爆破采煤工作面坚硬顶板爆破示意图爆破前爆破后三、采场岩层控制技术5.破碎煤岩体控制技术实验室试块井下加固块体钻孔观测的加固效果◼聚氨酯加固与堵水材料◼聚氨酯—水玻璃复合材料◼脲醛树脂加固材料◼不饱和聚酯加固材料四巷道围岩控制技术◼采掘是煤炭生产的两个关键工序；◼煤矿安全、高效生产取决于巷道畅通与稳定；◼我国煤矿新掘巷道长度，规模巨大，世界第一。年新掘巷道长度相当于地球直径四、巷道围岩控制技术◼巷道围岩变形与破坏机理；◼围岩与支护相互作用机理，巷道支护理论；◼巷道支护技术。四、巷道围岩控制技术木支护砌碹支护型钢支护锚杆支护我国煤矿巷道支护发展历程1.巷道支护研究内容与现状◼巷道支护格局✓锚杆锚索支护为主，金属支架、注浆加固、卸压、复合支护并举。锚杆支护金属支架支护复合支护注浆加固四、巷道围岩控制技术✓陆士良：动压巷道围岩压力及控制、无煤柱开采，包括采动巷道矿压显现规律，巷道布置，沿空掘巷、留巷及跨采无煤柱护巷技术；软岩巷道U型钢支架壁后充填技术，锚注支护技术等。✓侯朝炯：动压及软岩巷道支护理论与技术，包括巷道金属支架支护技术，高水速凝充填材料，煤巷锚杆支护技术，提出围岩强度强化理论等。✓其他学者，中国矿业大学，中国矿业大学北京，山东科技大学，河南理工大学，湖南科技大学等。四、巷道围岩控制技术◼巷道支护研究工作巷道锚杆支护煤柱水力压裂裂纹切折基本顶围岩改性✓变被动支护为主动支护，在变形中控制变形，以围岩支撑围岩。✓支护—改性—卸压“三位一体”“三主动”巷道围岩控制理念。回采巷道“支护-改性-卸压”示意图◼复杂困难巷道支护理念与方法四、巷道围岩控制技术2.锚杆支护成套技术高预力强力锚杆支护系列材料与构件高预应力施工机具与工巷道围岩地质力学测试方法与仪器锚杆支护作用原理与支护理论基于地质力学测试的动态信息设计法预应力锚杆支护系列材料与构件预应力施工机具与工艺巷道矿压与安全监测仪器123456四、巷道围岩控制技术◼预应力锚杆支护理论：巷道开挖后立即支护，施加足够的预应力，并有效扩散到围岩，可抑制围岩离层、滑动、新裂纹等扩容变形，形成预应力承载结构。四、巷道围岩控制技术◼锚杆支护材料与构件◼锚杆杆体及附件◼锚固剂◼护表构件(钢带、金属网)◼锚索顶板树脂锚固剂杆体金属网托板螺母减摩垫圈球形垫圈钢带四、巷道围岩控制技术⚫高强度锚杆✓高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆。牌号直径/mm