煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想

深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向。在分析煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术现状和问题的基础上,围绕安全、高效开采这一主题,综合考虑巷道和采煤工作面相互影响,以合理加大工作面长度,实现生产集约化,降低掘进率、提高煤炭回收率为思路,提出要解决的关键科学问题与技术构想。关键科学问题有4个:千米深井巷道围岩大变形机理;巷道围岩支护―改性―卸压协同控制原理;350 m超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合智能开采模式,为千米深井围岩控制及智能开采提供理论基础。针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特点,提出巷道支护―改性―卸压"三位一体"协同控制技术,实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护,高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压的"三主动"协同作用,解决千米深井巷道围岩控制难题。针对千米深井超长工作面开采过程中覆岩分区破断、矿压动态迁移的特点,以围岩控制为核心,研发液压支架抗冲击技术,开发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协同控制技术与装备,并系统集成采煤机等其他工作面设备,最终形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系,为深部煤炭资源安全、高效、高回收率开采提供理论与技术保障。

千米深井大倾角特厚煤层综放开采技术实践

为实现千米深井大倾角特厚煤层综合机械化放顶煤开采,应用相似材料模拟、数值模拟和现场试验等手段,研究了影响千米深井大倾角特厚煤层综合机械化放顶煤开采的工艺参数、顶板顶煤运移规律、矿山压力规律。通过试验得出二采一放、多轮间隔、由下而上的最佳放煤方式,同时掌握了大倾角特厚煤层放顶煤开采的工艺参数和矿压显现规律,实现了安全开采。

千米深井煤与瓦斯协调安全高效开采技术

以平煤股份千米深井十二矿己15-31010工作面的煤与瓦斯协调安全高效开采为例,提出并实施了极薄煤层上保护层开采技术,分别进行了上覆极薄煤层己14煤层卸压瓦斯、采空区瓦斯及己15煤层本煤层瓦斯抽采。实践结果表明:将己14、己15煤层合并计算,抽采瓦斯平均纯量8.5 m3/min,风排瓦斯平均纯量4.03 m3/min,累计风排瓦斯纯量269.5万m3,累计抽采瓦斯纯量553.44万m3,瓦斯涌出量822.94万m3,瓦斯抽采率平均达到65.94%,己15-31010工作面回风流平均瓦斯体积分数0.167%。实现了千米深井突出煤层煤与瓦斯协调安全高效开采。研究成果对类似条件矿井的瓦斯治理和煤与瓦斯协调安全高效开采有借鉴意义。

超千米突出矿井防突措施

针对磁西一号矿井高应力、高瓦斯条件下的突出问题,在参考国内防突先进经验及本矿井具体条件的基础上提出了钻孔预抽、开采保护层和二者综合运用等3种区域防突方案,综合安全性、经济性、防突效果、投产时间及工程量等因素,论证分析得出方案1更为合理,并计算确定了抽采参数和制定了其他一些防突措施,现场应用效果显著,有效地消除了煤与瓦斯突出的危险性。

基于顶板水力压裂卸压的应力场响应机制研究及应用

针对深井高应力强采动巷道的支护难题,分析顶板水力压裂技术原理,建立巷道围岩水力压裂数值计算模型,开展水力压裂切顶卸压应力转移研究,分析巷道围岩应力场响应机制,并开展现场工程应用。结果表明:水力压裂后煤柱应力集中区应力降低率为7.73%,平均降幅为13.9 MPa,最大降幅为24.9 MPa,采空区应力增长率为3.75%,在采空区应力增长区内,顶板压裂后底板应力较无压裂时平均高出约6.4 MPa,有效弱化了坚硬悬顶,阻断了顶板岩层的应力传递,促使煤柱侧悬顶应力向采空区内转移;水力压裂后工作面周期来压步距和液压支架动载系数显著降低,煤柱应力趋于均匀化,且平均应力显著低于无压裂时的煤柱应力,超前采动影响时矿压显现强度得到有效降低;压裂段滞后工作面30 m范围内采空区顶板及时垮落,应力增长较快,滞后工作面距离大于30 m时,压裂段采空区应力基本呈缓慢增长,最大应力值为1.35 MPa,无压裂段采空区应力且仍呈快速增长趋势,最大应力值为1.64 MPa。这表明水力压裂可有效弱化坚硬顶板完整性,改善采空区覆岩结构运动状态,降低巷道围岩应力状态,提高巷道围岩的稳定性。