研發(fā)起止時(shí)間：2019.02～2020.06

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司、中國礦業(yè)大學(xué)

成果水平：國際領(lǐng)先

1 立項(xiàng)背景

隨著目前煤炭資源的開采不斷走向深地，為保證下階段回采巷道的穩(wěn)定性，往往采取增加護(hù)巷煤柱的寬度的手段，而這會(huì)造成大量煤炭資源的浪費(fèi)。本課題針對塔山煤礦在堅(jiān)硬厚分層頂板巖層條件下，為保證回采巷道在重復(fù)強(qiáng)動(dòng)壓擾動(dòng)下的穩(wěn)定性，并避免增加護(hù)巷煤柱寬度，通過揭示動(dòng)壓擾動(dòng)小煤柱護(hù)巷條件下“實(shí)體煤幫—頂板巖梁—屈服煤柱”的鏈?zhǔn)匠休d結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理，提出并實(shí)踐了“頂板預(yù)裂—幫頂協(xié)支”圍巖控制理論與關(guān)鍵技術(shù)，為晉能控股集團(tuán)推進(jìn)煤礦巷道圍巖控制技術(shù)改革，保障了深部強(qiáng)動(dòng)壓巷道穩(wěn)定性，并對我國中西部礦區(qū)煤炭資源保護(hù)意義重大。本項(xiàng)目綜合運(yùn)用了采礦工程、彈塑性力學(xué)、礦山巖體力學(xué)等學(xué)科理論與技術(shù)，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析、數(shù)值計(jì)算和工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了“人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)”理論、成套裝備及其關(guān)鍵技術(shù)。

2 研究內(nèi)容

針對以上工程實(shí)際，原同煤集團(tuán)聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，展開技術(shù)攻關(guān)，以塔山煤礦三盤區(qū)西翼2311 巷與2312 巷為工程背景，采用理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對堅(jiān)硬頂板條件下鏈臂鋸切縫、密集鉆孔切頂?shù)炔煌许旑A(yù)裂技術(shù)切頂卸壓留巷的覆巖破斷規(guī)律、礦壓作用及巖層結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)容如下：

（1）堅(jiān)硬頂板人造非連續(xù)弱面圍巖控制機(jī)理研究

利用煤巖體工程力學(xué)性質(zhì)原位測試系統(tǒng)現(xiàn)場原位測試方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法測定煤巖體工程地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，為基于生命周期過程的人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)研究提供依據(jù)。測試內(nèi)容主要包括：礦井地應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度）、圍巖結(jié)構(gòu)（松動(dòng)圈），為人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)研究提供依據(jù)。在煤巖體工程地質(zhì)力學(xué)狀況測試與評估研究成果基礎(chǔ)之上，依據(jù)塔山煤礦三盤區(qū)生產(chǎn)技術(shù)條件建立理論分析與數(shù)值計(jì)算模型，對本工作面回采過程中回采巷道及臨近工作面回采巷道圍巖變形與圍巖應(yīng)力變化特征進(jìn)行監(jiān)測，得出重復(fù)采動(dòng)影響下強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理。在煤巖體工程地質(zhì)力學(xué)狀況測試與評估研究成果基礎(chǔ)之上，針對塔山礦三盤區(qū)工程地質(zhì)特征和生產(chǎn)技術(shù)條件，系統(tǒng)研究鏈臂鋸切縫、密集鉆孔切頂?shù)炔煌许旑A(yù)裂技術(shù)條件下切頂預(yù)裂巷道及相鄰工作面回采巷道頂板弱化機(jī)理。從理論分析、數(shù)值計(jì)算（如圖1所示）、相似模擬試驗(yàn)的角度揭示人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化機(jī)理。

圖1 人造非連續(xù)弱化帶示意圖

（2）堅(jiān)硬頂板連續(xù)/非連續(xù)弱面圍巖控制機(jī)理研究

基于塔山煤礦三盤區(qū)堅(jiān)硬頂板生產(chǎn)地質(zhì)條件，通過理論分析手段，建立切頂預(yù)裂前后切頂預(yù)裂巷道及相鄰工作面回采巷道頂板應(yīng)力傳遞力學(xué)模型；建立切頂預(yù)裂頂板卸壓數(shù)值計(jì)算模型，對不同切頂預(yù)裂關(guān)鍵參數(shù)條件下相鄰工作面回采過程中切縫巷道圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測，提出人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板主控參數(shù)，如圖2所示。結(jié)合理論分析、數(shù)值計(jì)算結(jié)果，揭示人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板圍巖控制機(jī)理。

（3）人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)研究

通過理論分析與數(shù)值計(jì)算的方法，得出人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，包括切縫方式、切縫高度、切縫角度、切縫時(shí)機(jī)等，提出基于人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)的切頂預(yù)裂巷道及相鄰工作面回采巷道圍巖控制技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)，形成基于人造連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化堅(jiān)硬頂板技術(shù)的圍巖控制技術(shù)體系。

3 創(chuàng)新成果

（1）基于大同煤田堅(jiān)硬頂板工程地質(zhì)條件，創(chuàng)建了考慮塑性煤體承載能力自衰減的頂板巖梁破斷理論及控制方法，揭示了動(dòng)壓擾動(dòng)小煤柱護(hù)巷條件下“實(shí)體煤幫—頂板巖梁—屈服煤柱”的鏈?zhǔn)匠休d結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理，提出了“頂板預(yù)裂—幫頂協(xié)支”的圍巖控制理論，豐富了堅(jiān)硬頂板條件下巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論與技術(shù)。

（2）揭示了堅(jiān)硬頂板內(nèi)連續(xù)/非連續(xù)弱面成形及弱化機(jī)理，提出了鏈臂鋸機(jī)械預(yù)裂與密集鉆孔弱化預(yù)裂兩項(xiàng)人造弱面技術(shù)，實(shí)測并對比分析了連續(xù)/非連續(xù)弱面弱化效果，掌握了連續(xù)/非連續(xù)弱面構(gòu)筑關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)方法，完善了堅(jiān)硬頂板預(yù)裂控制技術(shù)體系。

（3）基于對動(dòng)壓擾動(dòng)小煤柱護(hù)巷條件下巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變及頂板堅(jiān)硬巖梁破斷的全生命周期時(shí)空演化規(guī)律的研究，驗(yàn)證了“頂板預(yù)裂—幫頂協(xié)支—小煤柱耦合護(hù)巷”技術(shù)的可行性，形成了一套用于解決堅(jiān)硬頂板強(qiáng)動(dòng)壓擾動(dòng)條件下巷道圍巖控制新工藝。

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目研究成果在塔山礦三盤區(qū)8311、8312工作面進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，采用切頂預(yù)裂治理臨近工作面尾巷強(qiáng)礦壓技術(shù)可節(jié)省支護(hù)成本94.67 萬元，減少護(hù)巷煤柱寬度，提高煤炭回收率，增加經(jīng)濟(jì)效益1416.6萬元，緩解采掘接續(xù)矛盾，可實(shí)現(xiàn)年增產(chǎn)效益873.6萬元，經(jīng)過護(hù)巷煤柱寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)和巷道布置方式的優(yōu)化，減少二次返修成本518.7萬元。有效改善了工作面臨空巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全高效生產(chǎn)。

本項(xiàng)目于2021 年4 月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定，獲國際領(lǐng)先水平。