遠(yuǎn)場(chǎng)厚硬巖層破斷誘發(fā)強(qiáng)礦壓機(jī)理及控制研究

研發(fā)起止時(shí)間：2018年6月～2020年6月

完成單位：晉能控股煤業(yè)集團(tuán)、太原理工大學(xué)、重慶大學(xué)

獲獎(jiǎng)及評(píng)價(jià)：國(guó)際領(lǐng)先

1 立項(xiàng)背景

堅(jiān)硬頂板是巖層控制的一大難題，厚及特厚煤層是我國(guó)煤炭開發(fā)的主體，“堅(jiān)硬頂板+特厚煤層”開采，覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生很大區(qū)別，大空間低-中-高多層位巖層漸次破斷均影響采場(chǎng)礦壓，其中高位堅(jiān)硬巖層破斷失穩(wěn)礦壓作用強(qiáng)烈，甚至誘發(fā)沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害，成為限制千萬噸工作面高產(chǎn)高效的技術(shù)瓶頸。大同礦區(qū)屬于典型的堅(jiān)硬頂板礦區(qū)，目前主采3-5#特厚煤層，煤層厚度14 m～20 m，采用綜放一次開采。因煤層開采厚度大，大空間堅(jiān)硬頂板均發(fā)生破斷失穩(wěn)，造成采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜且強(qiáng)烈，支架壓死、巷道變形嚴(yán)重現(xiàn)象頻發(fā)。針對(duì)該技術(shù)難題，本項(xiàng)目采用理論分析、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。

2 主要研究?jī)?nèi)容

項(xiàng)目研究針對(duì)大空間堅(jiān)硬巖層破斷規(guī)律及其結(jié)構(gòu)特征、大空間采場(chǎng)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理、高位堅(jiān)硬巖層控制技術(shù)以及巖層精準(zhǔn)定向切頂造縫技術(shù)四個(gè)方面展開，主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）大空間覆巖運(yùn)移原位連續(xù)監(jiān)測(cè)成套技術(shù)研發(fā)

研發(fā)了適用于大空間采場(chǎng)覆巖運(yùn)移監(jiān)測(cè)的超大量程采動(dòng)覆巖內(nèi)部巖移無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用大量程拉線結(jié)構(gòu)裝置將巖移測(cè)點(diǎn)量程提升至20 m以上。該系統(tǒng)包含了實(shí)體監(jiān)測(cè)設(shè)備及無線傳輸組件，如圖1。

圖1 大空間原位監(jiān)測(cè)成套系統(tǒng)與裝備

（2）覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及高位結(jié)構(gòu)礦壓作用機(jī)理研究

高位頂板斷裂時(shí)會(huì)引起其下部頂板群組的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，頂板系統(tǒng)總勢(shì)能一部分用于破斷塊體的位能調(diào)整和再分配，另一部分則主要耗散于頂板破斷塊體間的壓實(shí)吸能消耗。據(jù)此，基于能量變分原理，將研究對(duì)象擴(kuò)展至采空區(qū)側(cè)穩(wěn)定區(qū)段范圍，并兼顧采空區(qū)矸石壓縮及采空區(qū)覆巖塊體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，建立大空間采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，如圖2所示。大空間采場(chǎng)高位頂板結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)其下位頂板群組的協(xié)同運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了采場(chǎng)圍巖受力的顯著增加，是大空間采場(chǎng)圍巖變形及支護(hù)阻力增加的主要影響因素。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)高位巖層的礦壓作用力學(xué)模型

（3）研發(fā)了井上下一體化裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方法，建立了地面壓裂控制采場(chǎng)強(qiáng)礦壓技術(shù)體系

地面壓裂裂縫的擴(kuò)展主要采用井上下微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方法，其工作原理主要利用壓裂時(shí)產(chǎn)生的微地震，采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地震波進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉，根據(jù)地震波速度結(jié)構(gòu)、破裂定位與破裂能量分布，數(shù)據(jù)處理后形成微地震三維影像。基于高位巖層賦存狀態(tài)及其礦壓作用預(yù)測(cè)強(qiáng)度，綜合覆巖應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造特征，提出了地面垂直井多級(jí)壓裂、水平井體積壓裂技術(shù)；基于大同礦區(qū)雙系賦存條件下，上覆侏羅系煤柱結(jié)構(gòu)賦存誘發(fā)的強(qiáng)礦壓難題，提出了侏羅系煤柱定點(diǎn)壓裂的地面壓裂技術(shù)體系。

（4）研發(fā)了堅(jiān)硬巖層“聚能射流+高壓劈裂”的復(fù)合爆破定向切頂技術(shù)

為克服鏈臂鋸切頂機(jī)切割深度有限的技術(shù)難題，研發(fā)了復(fù)合爆破定向連續(xù)造縫技術(shù)，該技術(shù)主要是通過采用射孔彈和炸藥的配合來實(shí)現(xiàn)定向造縫，主要包括射孔管串、射孔彈、炸藥及導(dǎo)爆索幾部分構(gòu)成。其中射孔管串用來裝配射孔彈和炸藥，導(dǎo)爆索用來引爆射孔彈。具體應(yīng)用時(shí)，將射孔彈每隔一定距離裝在射孔管串上，射孔彈的形狀為錐形，爆破時(shí)沿錐口方向形成高沖擊力的金屬粒子流，管串上相鄰射孔彈的射流方向可以相同，也可以相反，相鄰兩射孔彈之間填裝炸藥。進(jìn)一步優(yōu)化了復(fù)合爆破切頂參數(shù)，給出了合理的射孔彈尺寸、射孔彈間距、藥卷藥量及其相互搭配關(guān)系，設(shè)計(jì)優(yōu)化了復(fù)合爆破工藝流程。堅(jiān)硬頂板定向精準(zhǔn)造縫技術(shù)包括復(fù)合爆破定向造縫技術(shù)和鏈臂鋸連續(xù)精準(zhǔn)切割技術(shù)，利用兩種技術(shù)在造縫空間、造縫成本、造縫安全性等的上互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，相互配合共同對(duì)堅(jiān)硬頂板造縫切頂，達(dá)到卸壓或切頂留巷目的，實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)堅(jiān)硬頂板的精準(zhǔn)、高效控制。

3 創(chuàng)新成果

（1）研發(fā)了大空間覆巖運(yùn)移原位一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)，厘清了大空間遠(yuǎn)近場(chǎng)不同層位堅(jiān)硬頂板破斷的覆巖結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力時(shí)空演化，揭示了遠(yuǎn)近場(chǎng)堅(jiān)硬頂板破斷的沖擊作用及其誘發(fā)強(qiáng)礦壓發(fā)生機(jī)理，明確了遠(yuǎn)場(chǎng)巖層致災(zāi)關(guān)鍵層位。

（2）分析了不同形態(tài)裂縫面影響覆巖結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)力分布規(guī)律，揭示了地面壓裂控制采場(chǎng)強(qiáng)礦壓機(jī)理；建立了壓裂位置、壓裂時(shí)間的選取準(zhǔn)則，研發(fā)了裂縫擴(kuò)展井上下一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)；給出了不同形態(tài)裂縫面的礦壓弱化效果，構(gòu)建了地面壓裂控制采場(chǎng)強(qiáng)礦壓技術(shù)體系。

（3）提出了地面垂直井多級(jí)壓裂、水平井體積壓裂及侏羅系煤柱定點(diǎn)壓裂的地面壓裂技術(shù)體系，開辟了井下災(zāi)害地面超前預(yù)控新方法；發(fā)明了礦用鏈臂鋸切頂機(jī)，研發(fā)了堅(jiān)硬巖層“聚能射流+高壓劈裂”的復(fù)合爆破定向造縫技術(shù)，精準(zhǔn)控制頂板垮落；構(gòu)建了煤礦堅(jiān)硬頂板地面-井下精準(zhǔn)控制技術(shù)體系。

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目成果解決了大同礦區(qū)強(qiáng)礦壓控制難題，實(shí)現(xiàn)了千萬噸級(jí)礦井安全高效開采。成果在塔山礦、同忻礦等礦廣泛應(yīng)用，近三年新增利潤(rùn)5.26億元，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。研究成果保障了西部厚及特厚煤層開采及國(guó)家煤炭能源供給，前景廣闊。

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