煤炭精准开采科学构想

新世纪互联网+及智能化发展势头强劲,在总结煤炭开采历史及科技发展趋势的基础上,思考了煤炭开采如何应对新一轮科技创新的到来,针对我国煤炭开采面临的挑战和机遇,提出了煤炭精准开采的科学构想。煤炭精准开采是基于透明空间地球物理和多物理场耦合,以智能感知、智能控制、物联网、大数据云计算等作支撑,将不同地质条件的煤炭开采扰动影响、致灾因素、开采引发生态环境破坏等统筹考虑,时空上准确高效的煤炭少人(无人)智能开采与灾害防控一体化的未来采矿新模式。煤炭精准开采可显著提高煤炭安全开采自动化、智能化、信息化水平,实现煤炭工业由劳动密集型向具有高科技特点的技术密集型转变。本文凝练了煤炭精准开采的7个关键科学问题和八个主要研究方向,为实现互联网+科学开采的未来少人(无人)采矿提出了技术路径。

基于微震监测的深部下分层巷道掘进围岩破坏特征研究

针对分层采场内掘进巷道利用微震有效实施围岩破坏监测的难题,以淮南矿区潘二煤矿12221下分层掘进工作面为工程背景,开展了下分层开采巷道掘进微震监测研究,提出了相应的随掘微震监测方法,分析了分层开采条件下巷道掘进围岩破坏特征。结果表明,以所提出的等距交错往复式随掘方法搭建微震监测系统能够实现对现场破裂信号的有效拾取,巷道掘进过程中微震事件以地质结构为界线呈现阶段性分布特征,也验证了方法的合理性;同时,受上分层采动影响下的巷道围岩破坏呈现蝴蝶形分布(10 m),在掘进巷道两帮围岩的肩颈位置呈现出较大范围的破坏(15~20 m)。研究结果可望为微震监测技术应用及巷道围岩支护提供一定指导。

深部围岩分区破裂化模型试验研究

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。

深部岩巷分区破裂围岩稳定性控制方法及应用

深部高地应力岩巷开挖后围岩内出现分区破裂现象,采用传统的原设计方案巷道稳定性差。根据巷道围岩变形破坏的现场监测结果,经过理论分析和支护试验,提出了"提高法向约束、锚杆增韧止裂、协调耦合支护、应力内部转移、分区充填注浆、增强围岩强度"的锚注一体化综合控制方法理念。并提出了相对应的综合支护技术,即首先采用高预紧力超强锚杆及时支护围岩,锚杆的长度和数量分别由监测结果和分区支护能量判据确定;其次采用高强锚索让压梁支护巷道顶板,实现锚杆、锚索的协调耦合支护和围岩应力内部转移;最后采用中空分段螺旋式注浆技术进行滞后加固。最后针对监测巷道采用锚注一体化综合控制方法和技术进行了支护优化设计并进行现场支护试验,监测结果表明,优化支护的巷道稳定性良好。

不同工况下深部围岩分区破坏非连续变形试验研究

以淮南矿区-1000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出。针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研究,旨在获取最大荷载方向与硐室轴线垂直、斜交、平行条件下巷道围岩的受力与破坏特征,揭示深部巷道围岩发生分区破坏的条件。试验结果显示,模型拱顶、侧墙和底板周边径向应变均呈现拉应变,形成环状裂缝;在较大轴压作用下,巷道周边产生剪切破坏和拉伸破坏,但拉伸、剪切破坏区的形成不同步,拉伸破坏的速度远大于剪切破裂的速度,使周边岩体产生这种不连续且交替出现的环状裂隙区。直墙圆拱巷道发生分区破裂的特点为帮部呈现分层断裂,拱顶和底部呈现滑移型断裂。研究结果可为深部高地应力下巷道围岩的支护对策及优化提供参考。

我国深部煤与瓦斯共采战略思考

我国是世界上瓦斯灾害最严重的国家之一,煤炭资源禀赋与长期的旺盛需求导致我国煤炭开发以每年10～25 m的速度快速向深部转移,深部煤炭开采面临的瓦斯问题更加严峻,从安全、能源、环保3个方面考虑,都需要加大深部煤层煤与瓦斯共采力度。分析了我国深部煤层煤与瓦斯共采现状与面临的问题,指出了我国深部煤层煤与瓦斯共采发展对策,认为我国深部煤层应坚持地面和井下相结合的＂两条腿走路＂的煤与瓦斯共采模式,从基础理论研究、关键技术及装备研发、示范工程建设、政策扶持等方面提高深部煤层煤与瓦斯共采技术整体水平。

深部软岩巷道组合承载壳支护研究与应用

深部软岩巷道支护问题影响因素多、情况复杂,理论研究工作仍处于探索阶段,而依靠提高支护材料强度和采用注浆锚杆无法从根本上解决该问题,且成本高。分析了深部软岩巷道表层围岩应力分布情况,其变形特点为应力向深部转移,巷道表层围岩应力降低但变形量较大,得出解决深部软岩巷道支护难题的关键是在尽可能提高支护结构强度的同时,降低支护结构周边切向应力,即合理设计内层支护小结构、构筑中间应力消减层,使其与外层原岩大结构共同作用,形成深部软岩巷道支护体系,增强围岩自承能力。根据内层支护小结构的要求,提出了主动支护和被动支护相结合的锚架注组合承载壳全断面联合支护技术,即在锚杆(索)支护的基础上,采用型钢支护联合壁后充填结构形成具有一定厚度和较高强度的内层支护结构体,从而减少顶板、煤壁和空气接触,同时充填注浆材料全断面向深部软岩裂隙扩散凝固,钢架在围岩发生一定让压变形后起到径向约束作用,可强化围岩承压环,保证围岩稳定性。针对丁集矿西二采区回风石门修复工程,采用高预紧力锚索+U型钢棚+注浆的锚架注组合承载壳全断面联合支护结构,通过深孔爆破方法构筑中间应力消减层。矿压观测结果表明,巷道两帮移近量最大值为349mm,顶板下沉量最大值为323mm,巷道变形得到有效控制。

深部采动响应与灾害防控研究进展

掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境,探讨了深部采动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理。最后,基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理,从透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3个方面讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度,大力支持自主创新重大仪器及科学装置研究,重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究,依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析,实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化,建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型,以及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究,实现对灾害的有效预警和精准防控,综合形成深部煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时,在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经济可行性的基础上,科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题,促进深部煤炭安全高效开采。

淮南矿区A组煤开采工作面底板破坏带深度确定

淮南矿区生产矿井已开采受深部高承压水严重威胁的A组煤,为了解决传统煤层底板采动破坏深度经验公式适用性差的问题;基于淮南矿区生产地质参数,利用统计软件SPSS分析了各类参数的偏相关性,优化了传统破坏深度计算公式,并将拟合公式应用于张集煤矿1612A工作面底板破坏的计算;基于数值模拟、微震监测对公式演算的准确性进行了验证。研究结果表明:煤层厚度等参数与破坏带深度具有相关性;通过拟合得到的新型计算公式计算工作面破坏深度达到27.33 m,与注水试验测得破坏带深度28 m、数值计算深度30 m相吻合;与利用现场监测的微震事件聚集分布得到的底板微破裂集中深度30~35 m相一致。

微震监测技术在深部矿山中的应用

煤矿煤与瓦斯突出和岩体的微震事件有着必然联系。本文介绍了微震监测技术应用现状及基本原理,并以淮南谢一矿为实例,对建立24通道微震监测系统的组成、监测系统的性能以及微震监测范围进行了详细介绍;通过三维可视化软件对谢一矿5121(5)工作面上覆岩层的微震活动进行连续实时监测;提出了微震活动带及微震活动单元的概念,并利用快速确定微震活动带的方法来对煤与瓦斯突出灾害进行准确、及时预报。

沿空留巷无煤柱连续开采技术及应用

乌兰煤矿主采煤层多，煤层瓦斯含量大，且多个主采煤层都是突出煤层，通过对8^#煤层5867综采面进行沿空留巷方案技术研究和方案实施，取得了留巷成功，为乌兰煤矿开采技术进步积累了成功经验。

朱集矿深部高地应力复合岩层巷道围岩控制技术研究

针对深部矿井高地应力作用下，岩石巷道围岩整体变形量大、持续时间长、局部破坏严重的支护难题，以朱集矿-965东翼轨道大巷为工程背景，在进行系统地质力学测试、围岩变形破坏特征分析、支护形式选取与现场试验的基础上，对深部高地应力复合岩层巷道围岩控制技术进行研究。通过优化锚杆支护参数、合理选择护表形式与构件，实现了深部高地应力复合岩层巷道围岩的一次主动支护，有效控制了深部高地应力巷道围岩的长期持续变形，改变了深部岩巷“前掘后修、反复维修”的局面，取得了良好的现场应用效果。

厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防--以淮南顾桥矿为例

以顾桥矿工程实践为基础,结合物理模拟实验和现场监测结果,研究了厚表土层深井卸压开采地面钻井变形破坏及其预防。结果表明:钻井破坏是地面卸压瓦斯抽采失败的关键,采动影响下地面瓦斯抽采井破坏以变形和错断为主,破坏深度不一,主要集中在松散层中下部和基岩中上部;在钻井完好情况下,将钻井终孔位置布置于断层附近、"O"型圈范围内更有利于卸压瓦斯抽采。采动引起的上覆岩层离层、应力集中、竖向破断以及厚表土层"杠杆效应"造成地面瓦斯抽采井破坏,其由下至上多次出现是导致地面井多处变形破坏的主要原因。煤层采动对工作面前方巷帮应力、顶板应力的影响范围分别可达320 m、350 m,对轨顺相对位移影响范围可达工作面前方50m和后方200m,采场中部覆岩与地表之间的相对位移量远大于采场边缘附近,更容易导致井孔破坏。采用"抗"和"让"相结合的井身结构、"上止下泄"固井–完井施工工艺以及合理的井位布置等措施,可有效防止卸压开采地面钻井变形破坏,实现瓦斯稳定高效抽采。

厚硬顶软底工作面俯斜分层开采液压支架选型研究

硬顶软底工作面厚煤层俯斜分层开采时,支架底座直接作用于松软煤层上,易出现支架钻底、咬架、挤架的问题。另外,厚硬直覆砂岩顶板易形成大面积悬顶而导致瓦斯突出及冲击地压。为解决这一难题,以顾北煤矿13121工作面为工程背景,进行力学模型计算及分析,确定选用ZZ13000/24/50型支撑掩护式铰接顶梁支架,并进行了支架的适应性研究。通过现场应用,结果表明所选支架适应性很好,满足工作面安全回采要求。

超高水充填开采覆岩运移控制效果研究

为探究不同参数下超高水充填开采覆岩运移控制效果,确定最佳的充填参数,以义能煤矿1302工作面为工程背景,结合现场监测和数值模拟等手段进行深入探究。通过UDEC模拟得出:当充填率一定时,水体积比越大,覆岩塑性区高度越高,应力集中程度越大,直接顶随着水体积比不断增大由弯曲向破断转变,在水体积比为95%时发生破断。通过现场实测发现开采过程中最大工作阻力为37.2 MPa,最大应力集中系数为1.81,回采巷道顶板最大下沉量为24.5 mm,围岩变形小,地表平均曲率为0.03 mm/m^(2),水平变形在-0.28~0.4 mm/m,地表变形程度小,地面建筑得到良好保护。

典型开采条件下煤与瓦斯共采实践与思考

针对我国煤层瓦斯高应力、高瓦斯压力、高瓦斯含量及低渗透性赋存特点,从煤层瓦斯抽采基础理论、技术方法及环境与安全效益等方面,系统分析总结了我国煤与瓦斯共采理论与技术进展,介绍了松软低透煤层群、高瓦斯原生结构煤层、山区松软低渗突出煤3种典型开采条件下煤与瓦斯共采技术体系与应用实践,进一步指出了我国煤与瓦斯共采面临的问题与挑战,认为我国应坚持煤与瓦斯共采的科学开采方法,从基础理论研究、关键技术及装备研发及示范工程建设方面提高煤与瓦斯精准共采技术整体水平,实现不同开采条件下煤层瓦斯资源的有效开发利用。

深部多断层工作面超前预注浆治灾技术研究

工作面回采过断层影响区时,容易出现冒顶片帮、瓦斯突出、突水以及冲击地压等一系列的煤岩体非稳态、非线性链式灾变问题。通过物化性能良好的注浆材料进行超前注浆加固,设计合理的注浆工艺和参数,能够实现工作面的安全快速回采。以淮南矿区顾北矿13121工作面为例,通过研究工作面断层带构造特征,分析开采扰动断层影响区灾变机理,提出了工作面过断层“浅孔帷幕注浆+平行深孔超前预注浆”加固技术,研发了新型无机注浆材料,采用合理的注浆参数优化了配套注浆工艺。现场实践表明:注浆后工作面月推进由15~19m提高到138m,推进速度由0.48~0.61m/d提高到4.6m/d,实现了工作面安全快速通过断层影响区。研究成果能够为破碎工作面及断层密集带工作面回采提供一定的参考依据。

被保护层工作面瓦斯来源分析及治理技术

为研究被保护层高瓦斯工作面瓦斯来源,综合运用分源预测、统计、碳同位素分析等方法,首次发现了被保护层工作面上覆围岩一次破坏形成的裂隙中残存有大量游离瓦斯。在朱集东煤矿被保护层1111(3)工作面进行工程实践,优化了“顶板走向钻孔+边孔”系统布置,改进了护孔套管连接方式,“管到底”率达到95%,单孔瓦斯抽采量增加3.5倍左右,工作面瓦斯抽采率达到88%,回风瓦斯浓度控制在0.36%以下,平均0.12%,平均日产量8300t,实现了安全高产高效。

分层开采厚硬顶板覆岩结构破坏及移动规律研究

厚煤层分层开采时,顶板覆岩结构破坏对巷道的稳定性以及工作面的支护稳定性起决定性的控制作用。针对厚砂岩顶板直覆条件下的采空区悬顶不垮,来压步距大,断裂后产生较大冲击地压等问题,以顾北矿13121上工作面为工程背景,通过理论分析、现场探测、力学试验、数值模拟等方法综合研究,揭示分层开采厚硬顶板覆岩结构破坏机理,得出顶板移动变形及应力分布规律。结果表明:厚硬顶板在工作面开采时垮落步距大,采动影响剧烈,塑性区破坏发育,工程上表现为采空区大面积悬顶,煤帮大面积片帮破坏。据此,提出厚硬顶板切顶预裂深孔爆破技术,并成功应用于顾北矿13121上工作面,缩短了初次和周期来压步距,使巷道围岩变形和采场矿压得以有效控制。

高瓦斯突出矿井卸压开采瓦斯综合治理实践

朱集东煤矿为“三高一深”(高地压、高瓦斯强突出、高地温、千米埋深)矿井,采掘工作面煤与瓦斯突出危险性极大,开采此类煤层最经济有效的办法是开采保护层。为抽采保护层11-2煤层开采过程中本煤层及邻近层大量卸压瓦斯,采用分源法计算瓦斯涌出量,结合工程类比取大值。根据瓦斯涌出量预测结果,选用Y型通风方式,辅以顺层钻孔、地面钻井、顶板巷大直径筛管平钻孔、留巷埋管及穿层钻孔等抽采方式,使工作面回采期间瓦斯抽采率达到84.8%,实现了深井高瓦斯工作面煤与瓦斯安全高效共采。