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。

千米深井大倾角煤层综放采场矿压显现实测研究

针对开滦赵各庄矿3237深部大倾角综放工作面的矿压显现和围岩活动规律进行了全面的实测研究,通过多种观测手段和研究方法,获得了大量的观测数据,初步掌握了大采深大倾角厚煤层条件下综放开采工作面矿压显现的基本规律与顶板的运移特征,得出了大采深与大倾角回采巷道变形与支承压力的分布特征。

我国深井快速建井综合技术

我国煤炭垣藏深度在1000—2000m的约占总储量的53．2％，深井建设的平均深度有加速增长的趋势。结合深井快速建井的几个代表性工程介绍钻井法和冻结法凿井技术在深井建设中的应用。探讨了深井建设中支护技术、通风降温技术、防治水技术、施工工艺与装备技术等问题。

高瓦斯千米深井安全高效绿色开采技术研究

为解决煤矿深部开采瓦斯含量大、瓦斯压力大、突出危险性高、煤层透气性低,以及开采极薄煤层作为保护层产生大量矸石和薄煤层无法有效回收利用等问题,针对十二矿复杂煤层动力灾害机理、煤与瓦斯协同安全高效开采以及采动环境低损害开采进行研究,实施薄煤层开采作为保护层,实现多煤层开采的区域消突和煤矿瓦斯的综合抽采利用。在此基础上,配套井下岩石分选工艺及回填开采工艺,在实现安全高效开采的同时,减少采动环境损害,解决大量矸石污染环境的问题。保护层开采治理的工作面在单产上,较低位巷冲孔治理工作面单产量提高30%;煤矸分选回填年减投增效和瓦斯发电及余热利用经济效益显著,实现千米深井安全高效绿色开采。

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。

千米深井充填开采技术及装备研究与应用

针对深部煤炭开采产生的地压大、巷道围岩变形剧烈、冲击地压强度和频率增加等问题,冀中能源集团从千米深井充填开采的矿压显现规律研究入手,设计开发了具有密实推压功能的充填液压支架、采充平行作业充填工艺和大垂深充填材料输送系统,并针对千米深井的开采实际,运用高水材料进行充填开采,形成了千米深井充填开采的完整技术体系。在邢东矿的实践表明:千米深井充填开采技术及装备的应用,有效控制了巷道围岩变形,解决了大埋深煤层开采对地表破坏面积大的难题,保护了生态环境。

深井软岩巷道“三位一体”充填式复合支护技术研究

国投新集公司口孜东矿属千米深井,覆盖层厚,巷道断面大,围岩岩性软,地应力高,巷道支护极其困难。经反复研究实践,采用"三位一体"充填式复合支护形式,有效控制了巷道围岩变形。同时自主研究了充填支护材料,创造性地采用了从地面到井下的远距离充填材料自动化输送系统,并对掘进机械化设备进行升级,确保了支护的连续性和及时性,取得了较好的支护效果和经济效益。

超千米深井大巷多维联合支护技术

针对千米深井地压大、支护难以单一利用锚网支护解决这一难题,在详细分析邢东矿千米深井支护现存问题的基础上,对如何充分发挥锚网支护、环形支架和水泥注浆等支护技术优点和提高支护效果进行了研究,提出了多维联合支护技术,采用锚网梁支护配合U型钢环形支架、喷浆和巷道壁后注浆,使巷道支护体可以形成一个多层有效组合拱,达到提高围岩强度、改善锚网梁支护的综合效果。围岩平均变形速度由之前的2.9 mm/d降低到0.6 mm/d,大幅减少了巷道维修量,支护效果良好。

超千米深井施工组织设计

针对超千米深井磁西一号煤矿地压大、高瓦斯突出的特点,在以井巷工程为主,机电安装工程服从井巷工程,土建工程服从井巷工程和机电安装工程的原则下,按照施工区个数的不同,编制了2个可行性施工方案。综合考虑工期、安全、经济和现场施工等诸多因素,最终决定选用方案1施工。矿井建设施工期间,各阶段施工任务完成时间与方案1中预计时间基本吻合,基本可以按期完成施工任务,工期安排科学合理,达到了预期效果。

千米立井大冻深快速凿井施工技术

在口孜东煤矿千米深冻结主井施工过程中,为使井筒安全顺利地穿过深厚冻结表土段和大段高冻结深风化基岩段,并快速建成大冻深千米立井工程,通过改进冻结法凿井机械化设备配套技术、优化井筒内的布局并加强井帮温度预测控制、提高掘砌质量速度和冻土挖掘能力、增加冻结壁承载能力等,有效解决了深井冻结地压大、大断面井筒施工速度慢、井壁易变形破坏和冻结管断管漏盐水等施工技术难题。井筒掘砌速度连续3个月超130m,最高月进尺达158.6m。

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。

胶东焦家成矿带超千米深部金矿勘查突破及意义——以纱岭矿区为例

纱岭矿区超千米深部找矿突破是科学预测与勇于探索有机结合的结果。结合地球物理探测、阶梯式成矿模式、趋势外推及矿体空间分布规律等,在纱岭矿区预测并圈定了3处深部找矿靶区,按照"整体部署、分段实施"及"边施工、边研究、边调整"的原则分3个阶段完成了靶区验证和勘查工作。所取得的深部找矿突破有:在纱岭矿区共探获工业矿体77个,新增金金属量389 t;Ⅰ-2号主矿体单矿体资源量超过300 t,赋矿标高为-940^-2 030 m,矿体最大走向长1 680 m,最大倾斜长2 180 m,最大控制垂深为1 039 m,厚度为1.16~125.64 m。纱岭金矿床赋存于焦家断裂下盘,主矿体与其浅部相邻矿区矿体连续延深的垂向距离>2 km,远远超过了浅成低温热液金矿的形成深度,表明胶东型金矿与浅成低温热液型矿床的形成环境明显不同,预测其深部找矿潜力巨大。进一步分析表明,纱岭矿区南侧的前陈—上杨家预测区和深部的招贤预测区仍有较大的找矿潜力。

千米深井巷道支护失效机理及支护方案研究

为探讨千米深井巷道支护失效机理,解决巷道支护难题,对巨野矿区赵楼煤矿千米深井巷道——1304工作面轨道巷变形破坏规律进行了监测分析;在此基础上,采用有线差分软件FLAC3D,进行支护方案和参数优化;最后通过现场监测,对优化方案效果进行了验证。现场监测表明,优化方案现场支护效果良好,顶板沉降量比原支护方案减小30%以上,且经受住了回采考验,达到了预期目标。

超千米深井软弱破碎巷道围岩加固技术与应用

针对在高地应力软弱破碎围岩条件下原有巷道支护方案无法满足矿井正常通风和生产的问题,以峰峰磁西一号矿13盘区总回风大巷为研究对象,分析了原支护巷道破坏特征并给出支护评价,就该矿超千米深井存有较高构造应力的特点,提出了锚索束和U型钢架联合支护方案,并通过现场试验取得了良好支护效果,并为该矿后续巷道开拓和维护提供有效技术保障。

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。

超千米井筒深部揭煤防突技术

鹤煤公司三矿新副井揭煤深度954.20 m,揭煤区域位于背斜轴部,开采情况表明背斜轴部瓦斯涌出量明显大于两翼,瓦斯涌出量沿远离背斜轴部方向大致呈线形关系递减。由于情况特殊,对揭煤区域瓦斯抽放进行了设计研究,根据突出煤层瓦斯抽放要求,确定采用区域瓦斯抽放和局部瓦斯抽放的防突措施,为提高抽放效果,采取深孔预裂爆破增加煤层透气性。采取上述措施后,经效果检验与区域验证,揭煤区域达到了消突标准。

磁西矿超千米副井提升系统设计及应用

根据磁西矿超千米深井的地质情况,提出了两种该矿副井提升系统优化设计方案,分析了两种方案各参数的对比结果,确定了提升设备采用落地式提升布置形式,并进行了钢丝绳、提升机的选型及校核,给出了提升系统运动学速度、加速度曲线图以及副井双罐笼提升最大班作业时间平衡表,计算结果表明:设计的提升系统符合现行《煤矿安全规程》的相关规定,能够满足该矿安全生产要求。

新集矿区千米深井开拓设计优化探讨

根据千米深井口孜东矿西四块段地质条件、矿井生产实际情况及现有开拓系统,分析西四块段采区划分,块段内各煤层开采价值,首采区选择,采区接替计划及开采顺序。通过分析论证,进一步优化矿井深部采区布置,以提高矿井生产效率,实现矿井安全高效开采。

千米深井软岩巷道封闭式支护技术研究

针对深井软岩巷道大变形、强破坏的支护难题,以千米深井口孜东矿北翼轨道巷为研究背景,进行了井下现场试验,结果表明:该矿软岩巷道围岩变形破坏主要表现为两帮内挤和强烈底鼓;且巷道变形速度快,持续时间长,进一步加大了巷道稳定性控制难度。根据巷道变形破坏特征,进行巷道支护技术优化,提出采用封闭式支护技术来控制巷道变形。工程实践表明:封闭式支护技术可在巷道全断面内形成完整的承载结构,能较好地解决深部软岩巷道大变形问题,使巷道趋于稳定。

千米立井注浆堵水施工

新庄煤矿副立井设计全深1 025.3m,采用普通法施工130.8m后,改用冻结法施工,冻结深度908m;908m以下采用普通法和工作面预注浆法施工。井筒于2013-10-23停冻;2014年3月份,井筒涌水量最大达166m3/h,主要集中出水点在冻结段。根据对井筒水文地质及井壁漏水情况的分析,确定采用壁间注浆和壁后深孔高压注浆技术进行堵水加固。井筒注浆累计施工钻孔600个,累计消耗普通水泥298.7t、超细水泥217.72t、化学浆液162.7t、水玻璃33.87t。注浆结束后,井筒涌水量仅为2.1m3/h,井壁无0.5m3/h以上的集中出水点。注浆结束后1a内,井筒涌水量无异常变化,保持稳定;原来各出水点无出水现象,达到了预期效果。