遠場厚硬巖層破斷誘發強礦壓機理及控制研究

研發起止時間：2018年6月～2020年6月

完成單位：晉能控股煤業集團、太原理工大學、重慶大學

獲獎及評價：國際領先

1 立項背景

堅硬頂板是巖層控制的一大難題，厚及特厚煤層是我國煤炭開發的主體，“堅硬頂板+特厚煤層”開采，覆巖結構發生很大區別，大空間低-中-高多層位巖層漸次破斷均影響采場礦壓，其中高位堅硬巖層破斷失穩礦壓作用強烈，甚至誘發沖擊地壓動力災害，成為限制千萬噸工作面高產高效的技術瓶頸。大同礦區屬于典型的堅硬頂板礦區，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，大空間堅硬頂板均發生破斷失穩，造成采場礦壓顯現復雜且強烈，支架壓死、巷道變形嚴重現象頻發。針對該技術難題，本項目采用理論分析、數值計算、現場實測和工業性試驗相結合的方法，進行了技術攻關。

2 主要研究內容

項目研究針對大空間堅硬巖層破斷規律及其結構特征、大空間采場強礦壓顯現機理、高位堅硬巖層控制技術以及巖層精準定向切頂造縫技術四個方面展開，主要研究內容如下：

（1）大空間覆巖運移原位連續監測成套技術研發

研發了適用于大空間采場覆巖運移監測的超大量程采動覆巖內部巖移無線遠程監測系統，采用大量程拉線結構裝置將巖移測點量程提升至20 m以上。該系統包含了實體監測設備及無線傳輸組件，如圖1。

圖1 大空間原位監測成套系統與裝備

（2）覆巖結構力學模型及高位結構礦壓作用機理研究

高位頂板斷裂時會引起其下部頂板群組的協同運動，頂板系統總勢能一部分用于破斷塊體的位能調整和再分配，另一部分則主要耗散于頂板破斷塊體間的壓實吸能消耗。據此，基于能量變分原理，將研究對象擴展至采空區側穩定區段范圍，并兼顧采空區矸石壓縮及采空區覆巖塊體的協調運動，建立大空間采場覆巖結構力學模型，如圖2所示。大空間采場高位頂板結構聯動其下位頂板群組的協同運動導致了采場圍巖受力的顯著增加，是大空間采場圍巖變形及支護阻力增加的主要影響因素。

圖2 遠場高位巖層的礦壓作用力學模型

（3）研發了井上下一體化裂縫擴展監測方法，建立了地面壓裂控制采場強礦壓技術體系

地面壓裂裂縫的擴展主要采用井上下微震聯合監測的方法，其工作原理主要利用壓裂時產生的微地震，采用監測系統對地震波進行實時捕捉，根據地震波速度結構、破裂定位與破裂能量分布，數據處理后形成微地震三維影像?；诟呶粠r層賦存狀態及其礦壓作用預測強度，綜合覆巖應力場環境及地質構造特征，提出了地面垂直井多級壓裂、水平井體積壓裂技術；基于大同礦區雙系賦存條件下，上覆侏羅系煤柱結構賦存誘發的強礦壓難題，提出了侏羅系煤柱定點壓裂的地面壓裂技術體系。

（4）研發了堅硬巖層“聚能射流+高壓劈裂”的復合爆破定向切頂技術

為克服鏈臂鋸切頂機切割深度有限的技術難題，研發了復合爆破定向連續造縫技術，該技術主要是通過采用射孔彈和炸藥的配合來實現定向造縫，主要包括射孔管串、射孔彈、炸藥及導爆索幾部分構成。其中射孔管串用來裝配射孔彈和炸藥，導爆索用來引爆射孔彈。具體應用時，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。進一步優化了復合爆破切頂參數，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系，設計優化了復合爆破工藝流程。堅硬頂板定向精準造縫技術包括復合爆破定向造縫技術和鏈臂鋸連續精準切割技術，利用兩種技術在造縫空間、造縫成本、造縫安全性等的上互補優勢，相互配合共同對堅硬頂板造縫切頂，達到卸壓或切頂留巷目的，實現近場堅硬頂板的精準、高效控制。

3 創新成果

（1）研發了大空間覆巖運移原位一體化監測技術，厘清了大空間遠近場不同層位堅硬頂板破斷的覆巖結構特征及應力時空演化，揭示了遠近場堅硬頂板破斷的沖擊作用及其誘發強礦壓發生機理，明確了遠場巖層致災關鍵層位。

（2）分析了不同形態裂縫面影響覆巖結構特征及應力分布規律，揭示了地面壓裂控制采場強礦壓機理；建立了壓裂位置、壓裂時間的選取準則，研發了裂縫擴展井上下一體化監測技術；給出了不同形態裂縫面的礦壓弱化效果，構建了地面壓裂控制采場強礦壓技術體系。

（3）提出了地面垂直井多級壓裂、水平井體積壓裂及侏羅系煤柱定點壓裂的地面壓裂技術體系，開辟了井下災害地面超前預控新方法；發明了礦用鏈臂鋸切頂機，研發了堅硬巖層“聚能射流+高壓劈裂”的復合爆破定向造縫技術，精準控制頂板垮落；構建了煤礦堅硬頂板地面-井下精準控制技術體系。

4 應用效果

項目成果解決了大同礦區強礦壓控制難題，實現了千萬噸級礦井安全高效開采。成果在塔山礦、同忻礦等礦廣泛應用，近三年新增利潤5.26億元，經濟社會效益顯著。研究成果保障了西部厚及特厚煤層開采及國家煤炭能源供給，前景廣闊。

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。