人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板機理與關鍵技術

研發起止時間：2019.02～2020.06

完成單位：晉能控股煤業集團有限公司、中國礦業大學

成果水平：國際領先

1 立項背景

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定性，往往采取增加護巷煤柱的寬度的手段，而這會造成大量煤炭資源的浪費。本課題針對塔山煤礦在堅硬厚分層頂板巖層條件下，為保證回采巷道在重復強動壓擾動下的穩定性，并避免增加護巷煤柱寬度，通過揭示動壓擾動小煤柱護巷條件下“實體煤幫—頂板巖梁—屈服煤柱”的鏈式承載結構失穩機理，提出并實踐了“頂板預裂—幫頂協支”圍巖控制理論與關鍵技術，為晉能控股集團推進煤礦巷道圍巖控制技術改革，保障了深部強動壓巷道穩定性，并對我國中西部礦區煤炭資源保護意義重大。本項目綜合運用了采礦工程、彈塑性力學、礦山巖體力學等學科理論與技術，采用現場實測、理論分析、數值計算和工業性試驗相結合的方法，系統研究了“人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板機理與關鍵技術”理論、成套裝備及其關鍵技術。

2 研究內容

針對以上工程實際，原同煤集團聯合中國礦業大學科研團隊，展開技術攻關，以塔山煤礦三盤區西翼2311 巷與2312 巷為工程背景，采用理論研究、實驗室試驗、數值計算和現場工業性試驗相結合的研究方法，對堅硬頂板條件下鏈臂鋸切縫、密集鉆孔切頂等不同切頂預裂技術切頂卸壓留巷的覆巖破斷規律、礦壓作用及巖層結構特征進行研究，主要研究內容如下：

（1）堅硬頂板人造非連續弱面圍巖控制機理研究

利用煤巖體工程力學性質原位測試系統現場原位測試方法，結合實驗室試驗方法測定煤巖體工程地質力學參數，為基于生命周期過程的人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板技術研究提供依據。測試內容主要包括：礦井地應力分布規律、圍巖強度（單軸抗壓強度、抗剪強度）、圍巖結構（松動圈），為人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板技術研究提供依據。在煤巖體工程地質力學狀況測試與評估研究成果基礎之上，依據塔山煤礦三盤區生產技術條件建立理論分析與數值計算模型，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力變化特征進行監測，得出重復采動影響下強礦壓顯現機理。在煤巖體工程地質力學狀況測試與評估研究成果基礎之上，針對塔山礦三盤區工程地質特征和生產技術條件，系統研究鏈臂鋸切縫、密集鉆孔切頂等不同切頂預裂技術條件下切頂預裂巷道及相鄰工作面回采巷道頂板弱化機理。從理論分析、數值計算（如圖1所示）、相似模擬試驗的角度揭示人造連續/非連續弱面弱化機理。

圖1 人造非連續弱化帶示意圖

（2）堅硬頂板連續/非連續弱面圍巖控制機理研究

基于塔山煤礦三盤區堅硬頂板生產地質條件，通過理論分析手段，建立切頂預裂前后切頂預裂巷道及相鄰工作面回采巷道頂板應力傳遞力學模型；建立切頂預裂頂板卸壓數值計算模型，對不同切頂預裂關鍵參數條件下相鄰工作面回采過程中切縫巷道圍巖應力分布進行監測，提出人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板主控參數，如圖2所示。結合理論分析、數值計算結果，揭示人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板圍巖控制機理。

（3）人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板圍巖控制關鍵技術研究

通過理論分析與數值計算的方法，得出人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板關鍵技術參數，包括切縫方式、切縫高度、切縫角度、切縫時機等，提出基于人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板技術的切頂預裂巷道及相鄰工作面回采巷道圍巖控制技術關鍵參數，形成基于人造連續/非連續弱面弱化堅硬頂板技術的圍巖控制技術體系。

3 創新成果

（1）基于大同煤田堅硬頂板工程地質條件，創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，揭示了動壓擾動小煤柱護巷條件下“實體煤幫—頂板巖梁—屈服煤柱”的鏈式承載結構失穩機理，提出了“頂板預裂—幫頂協支”的圍巖控制理論，豐富了堅硬頂板條件下巷道圍巖穩定性控制理論與技術。

（2）揭示了堅硬頂板內連續/非連續弱面成形及弱化機理，提出了鏈臂鋸機械預裂與密集鉆孔弱化預裂兩項人造弱面技術，實測并對比分析了連續/非連續弱面弱化效果，掌握了連續/非連續弱面構筑關鍵技術及設計方法，完善了堅硬頂板預裂控制技術體系。

（3）基于對動壓擾動小煤柱護巷條件下巷道圍巖應力應變及頂板堅硬巖梁破斷的全生命周期時空演化規律的研究，驗證了“頂板預裂—幫頂協支—小煤柱耦合護巷”技術的可行性，形成了一套用于解決堅硬頂板強動壓擾動條件下巷道圍巖控制新工藝。

4 應用效果

項目研究成果在塔山礦三盤區8311、8312工作面進行了現場應用，采用切頂預裂治理臨近工作面尾巷強礦壓技術可節省支護成本94.67 萬元，減少護巷煤柱寬度，提高煤炭回收率，增加經濟效益1416.6萬元，緩解采掘接續矛盾，可實現年增產效益873.6萬元，經過護巷煤柱寬度優化設計和巷道布置方式的優化，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力狀態，實現了礦井的安全高效生產。

本項目于2021 年4 月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定，獲國際領先水平。