煤礦高效采掘與巖層控制技術(shù)裝備新進展

康紅普

(1.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院, 北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室, 北京 100013)

1 千萬噸級采煤工作面綜采技術(shù)裝備

晉陜蒙寧甘新地區(qū)是我國煤炭保供的主力,且我國現(xiàn)有的千萬噸礦井94%分布在西部。榆神礦區(qū)資源探明儲量為480億t,6～10 m厚煤炭資源約占總儲量的50%,目前主要采用分層和綜放開采,存在回收率低、安全、技術(shù)、經(jīng)濟等多方面問題,因此必須攻關(guān)超大采高綜采關(guān)鍵技術(shù)與裝備。實現(xiàn)千萬噸級采煤工作面的安全高效開采,需面臨的主要技術(shù)難點有:①超大采出空間工作面頂板及煤壁圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù);②超大采高綜采成套裝備及可靠性;③工作面水害防治與控水安全開采技術(shù)。為更好地實現(xiàn)千萬噸級采煤工作面綜采技術(shù)裝備的研發(fā),以工作面與巷道圍巖控制、工作面開采工藝與成套裝備、安全保障技術(shù)為核心,開展10 m超大采高綜采理論、技術(shù)、工藝和裝備攻關(guān),以“三高(超大采高、高水平制造、高智能化程度)”支撐“三高(高產(chǎn)量、高效益、高回收率)”。

1)關(guān)鍵技術(shù)一:超大采高工作面支架-圍巖穩(wěn)定性控制關(guān)鍵技術(shù)。研究了超大采高工作面采動應(yīng)力三維分布規(guī)律,揭示了超大采高工作面采動裂隙擴展演化規(guī)律,闡明了煤體力學(xué)結(jié)構(gòu)特征與采動應(yīng)力耦合作用下超大采高煤壁穩(wěn)定性及片幫機理,確定了液壓支架合理的支護強度和工作阻力。

2)關(guān)鍵技術(shù)二:超大采高工作面水平孔區(qū)域水力壓裂技術(shù)。對于工作面煤層上方有多層厚硬頂板,懸頂長度大,易造成強礦壓和支架損壞的情況,提出了采用區(qū)域水力壓裂改造頂板的方法,研發(fā)了井下高壓、大流量壓裂設(shè)備與監(jiān)測系統(tǒng),使厚硬頂板易垮落,降低了強礦壓,實現(xiàn)了支卸組合控頂控幫。

3)關(guān)鍵技術(shù)三:超大采高綜采復(fù)合水體下控水開采技術(shù)。采高增加會引起煤層覆巖破壞高度增大,導(dǎo)致裂隙帶發(fā)育高度與導(dǎo)水通道連通的可能性增強,造成回采工作面水害風(fēng)險加大,因此研究了工作面覆巖的破壞特征,分析了導(dǎo)水裂縫帶預(yù)計高度與實際隔水層厚度的關(guān)系,評估了工作面上覆主要充水含水層對工作面開采的威脅。

4)關(guān)鍵技術(shù)四:10 m超大采高開采成套裝備。①液壓支架:研發(fā)了采用雙層伸縮梁+三機護幫板結(jié)構(gòu)形式的超大采高液壓支架,設(shè)計了Φ630 mm超大缸徑的抗沖擊立柱新型結(jié)構(gòu),提出了超大采高液壓支架單架及群組穩(wěn)定性控制技術(shù),研究了超大體量高效液壓系統(tǒng),實現(xiàn)了全動態(tài)應(yīng)力精確測試及耐久性能評估;②采煤機:研究了10 m超大采高采煤機整機方案,研發(fā)了重型采煤機200 t級行走系統(tǒng),設(shè)計了輕重化長壽命超大直徑滾筒;③刮板輸送機:設(shè)計了新型高強度中部槽幫,研發(fā)了大節(jié)距牽引系統(tǒng)和智能控制及健康管理系統(tǒng);④智能控制系統(tǒng):研發(fā)了工作面裝備智能控制系統(tǒng)、非接觸式煤流智能監(jiān)測及控制系統(tǒng)、集成供液供電系統(tǒng)控制技術(shù),提出了液壓支架綜合工況實時監(jiān)控技術(shù)和工作面裝備生命周期故障預(yù)判技術(shù)。

應(yīng)用效果:陜煤曹家灘礦2-2煤層,可采厚度平均10.2 m,目前主要采用7 m超大采高分層開采和6 m超大采高綜放開采兩種方式。2020年陜煤集團與中國煤炭科工集團聯(lián)合開展曹家灘煤礦10 m超大采高綜采關(guān)鍵技術(shù)與裝備攻關(guān),研發(fā)千萬噸級采煤工作面綜采技術(shù)裝備,目前千萬噸級綜采工作面成套技術(shù)裝備已成功應(yīng)用于曹家灘礦,應(yīng)用效果良好。

2 千米深井圍巖控制及開采技術(shù)裝備

我國深部煤炭資源的開發(fā)勢在必行,深部煤炭安全高效開采技術(shù)必須攻克。我國許多礦井開采深度超過1 000 m,最深1 510 m。深部煤炭資源安全高效開采的突出難題有:①開采深度大,地應(yīng)力高,構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜;②受強采動影響,采動應(yīng)力高;③軟煤巖大變形,圍巖變形可達1～2 m,底鼓劇烈,冒頂片幫,支護體被破壞;④較硬煤巖的沖擊地壓,煤巖體突然釋放變形能,瞬間拋出,易造成設(shè)備損壞、人員傷亡。因此,千米深井安全高效開采必須解決巖層控制難題。

1)巷道支護-改性-卸壓時空協(xié)同控制原理。由于傳統(tǒng)的單一支護很難控制深部巷道大變形,提出了支護-改性-卸壓協(xié)同控制技術(shù)。首先采用錨桿錨索高預(yù)應(yīng)力主動支護圍巖,然后采用超前高壓劈裂注漿主動改性圍巖,提高巷道圍巖強度、錨固力和完整性,圍巖支護及改性后選擇合理層位,在工作面采動應(yīng)力升高前進行圍巖壓裂卸壓,減小側(cè)方懸頂和采空區(qū)后方懸頂,降低應(yīng)力集中程度。①高預(yù)應(yīng)力錨桿與錨索主動支護。研發(fā)了高強度、高延伸率和高沖擊韌性錨桿,提高了錨桿的抗拉、抗剪性能,充分調(diào)動了圍巖的自承載能力。②高壓劈裂注漿主動改性。采用“組分優(yōu)化+超細化+納米增強+有機改性”多技術(shù)協(xié)同,研發(fā)了高滲透、高強度、高黏結(jié)微納米無機有機復(fù)合注漿材料。該材料由黃料和白料兩種材料組成,具有高早強、高可注、高黏結(jié)、低成本的“三高一低”特性,注漿時采用1∶1等體積混合壓注,粒徑(D95)小于8.8 μm,2 h后抗壓強度大于10 MPa,拉伸黏結(jié)強度大于3 MPa,漿液能滲透進煤巖微裂隙。③水力壓裂主動卸壓。工作面回采前選擇合理層位進行圍巖水力壓裂主動卸壓,減小側(cè)方懸頂和采空區(qū)后方懸頂,產(chǎn)生新裂隙,激活原生裂隙,降低工作面采動應(yīng)力值。

應(yīng)用效果:中煤新集口孜東礦,典型千米深井軟巖礦井,埋深1 000 m,煤層強度10 MPa,頂?shù)装寰阅鄮r、砂質(zhì)泥巖等軟巖為主,巷道原支護采用錨網(wǎng)索+噴漿+滯后注漿聯(lián)合控制方案,圍巖產(chǎn)生大變形,巷幫整體移進和劇烈底鼓。采用巷道支護-改性-卸壓時空協(xié)同控制方法后,工作面回采期間,原支護頂板下沉247 mm,新支護頂板下沉62 mm,減小74.9%,原支護兩幫移進3 529 mm,新支護兩幫移近962 mm,錨桿、錨索破斷率減少90%,綜合經(jīng)濟成本降低23.3%。

2)千米深井超長工作面巖層控制與高效開采。①研究了采動應(yīng)力三峰值空間分布與分區(qū)破斷特征。千米深井軟巖、超長工作面采動應(yīng)力空間分布呈“三峰”形態(tài),常規(guī)面呈“單峰”形態(tài),超長工作面在走向和傾向上均存在分區(qū)破斷,工作面中部先來壓,強度中等,時間較短,然后向兩端持續(xù)來壓,強度較大,時間較長。②分析了超長工作面頂板分區(qū)破斷理論依據(jù)。得出了基本頂應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系及撓度方程,創(chuàng)新了頂板破斷分區(qū)方法,確定了裂隙誘導(dǎo)型頂板分區(qū)破斷條件和破斷模式。③確定了超長工作面頂板分區(qū)破斷控制準則。確定了以防止頂板切落式動載沖擊為主的頂板動載荷估算方法,指導(dǎo)了支架支護強度等關(guān)鍵參數(shù)的確定。④研發(fā)了高阻、非等強7 m大采高液壓支架及開采裝備。對于高地壓,研發(fā)了高工作阻力(18 000 kN)液壓支架;對于大角度俯采,立柱采用前粗后細非等強設(shè)計,提高了頂梁前端支頂力;對于底板軟巖層,設(shè)計了支架防扎底機構(gòu);對于頂板破碎易露冒情況,采用倒C型全封閉模式;對于煤壁易片幫情況,采用三級強力護幫機構(gòu),并配套采煤機、運輸機等裝備。

應(yīng)用效果:相應(yīng)技術(shù)成功在井下應(yīng)用,工作面最大采高達6.5 m,兩淮首次實現(xiàn)6 m大采高開采,開采工效提升38.3%,產(chǎn)量提高36.7%,實現(xiàn)了千米深井大采高工作面高效開采。

3 煤巷千米快速掘進技術(shù)與裝備

我國煤礦掘進呈現(xiàn)三大特點:①地質(zhì)條件復(fù)雜多變,掘進技術(shù)發(fā)展極不均衡;②掘進機械化、自動化程度低,用人多,事故多,環(huán)境差;③錨桿施工工藝繁瑣,很難實現(xiàn)自動化、智能化,嚴重影響掘進速度與效率。巷道掘進與支護已成為煤礦智能化建設(shè)短板,必須攻關(guān)研究,使掘進與支護作業(yè)由依靠人工到全面機械化,再到自動化、智能化,大幅度提高掘進速度,減人、提效,保障安全。

1)提高煤巷掘進速度的途徑。確定掘進模式、優(yōu)化掘進工藝、優(yōu)選掘進裝備、優(yōu)化支護參數(shù)、開發(fā)快速支護新技術(shù)、掘進全系統(tǒng)整體配套與協(xié)同。

2)煤巷掘進自動化與智能化關(guān)鍵技術(shù)。提升掘進自動化、智能化水平是實現(xiàn)快速掘進的有效途徑和發(fā)展方向。研發(fā)了超前探測技術(shù)、自動化及智能化截割技術(shù)、臨時支護技術(shù)、自動化錨桿施工技術(shù)、定位與導(dǎo)航技術(shù)、智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)了圍巖穩(wěn)定性與環(huán)境監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析。

3)鉆錨一體化智能快速掘進系統(tǒng)。研發(fā)了鉆錨一體化智能快速掘進系統(tǒng),開發(fā)了鉆錨一體化智能快掘成套裝備。①研發(fā)了鉆錨一體化錨桿,實現(xiàn)了鉆孔、錨固、預(yù)緊一體化,由原來6道工序減為1道,施工效率提升1倍以上;研發(fā)了新型泵注式錨固材料,錨桿施工質(zhì)量穩(wěn)定,錨固力≥200 kN,預(yù)緊力矩超過300 N·m;研發(fā)了鉆錨一體化自動支護系統(tǒng),包括鉆架+鉆箱+錨桿倉+注漿系統(tǒng)+控制系統(tǒng),設(shè)計了圓形錨桿倉,一次性存儲8根錨桿,且包含4自由度,實現(xiàn)了一體化錨桿施工無人化和錨桿存儲、抓取、安裝、支護施工、錨固等全流程自動化。②研發(fā)了自動化噴涂支護技術(shù)。提出了快速噴涂臨時支護技術(shù),采用快速凝固噴涂材料,在巷道表面形成高強度、高韌性護表噴層,起臨時支護作用,并替代金屬網(wǎng),開發(fā)了自動化噴涂機械臂及控制算法,實現(xiàn)了噴涂泵、料箱、機械臂與掘錨一體機聯(lián)合集成。③研發(fā)了隨掘變形動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),采用雙目相機三角測量原理,實現(xiàn)了動坐標系下特征點相對距離不變。④其他技術(shù)。如自動截割、導(dǎo)航定位系統(tǒng)等。

應(yīng)用效果:陜煤曹家灘煤礦122104內(nèi)回風(fēng)順槽,巷道斷面尺寸6.5 m×5.5 m,斷面積35.75 m2,跨度大,煤幫高,巷道設(shè)計長度5 980 m,巷道與相鄰工作面采空區(qū)距離50 m,掘進過程中局部發(fā)生片幫。煤巷千米快速掘進成套技術(shù)裝備已成功應(yīng)用于曹家灘礦,錨桿均為一鍵自動施工,6道工序減為1道,單根錨桿施工時間由原來5～6 min縮短為3 min,錨固力≥200 kN,預(yù)緊力矩超過300 N·m,井下鉆錨一體化支護控制系統(tǒng)終端支持遙控器、操作面板、集控中心3種控制終端的鉆錨一體化錨桿自動化施工,井下可通過操作面板切換設(shè)置,實現(xiàn)一人多機的錨桿支護自動化作業(yè)。近6 000 m、6.5 m×5.5 m超大斷面巷道目前已全部掘進完畢,最高日進尺65 m。煤巷千米快速掘進技術(shù)與裝備入選2022年度央企十大國之重器和北京市國際首創(chuàng)產(chǎn)品。

4 展望

1)加強超大采高、超長工作面、超長推進度等千萬噸工作面覆巖運移與破壞機理的研究;加強煤機裝備關(guān)鍵元部件研發(fā),進一步提高煤機裝備可靠性;提高工作面智能化水平,實現(xiàn)井下少人化開采。

2)更深入研究千米深井巷道、沖擊地壓巷道等圍巖變形破壞機理,支護-改性-卸壓協(xié)同控制原理及配套技術(shù);千米深井工作面覆巖運移與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,支架與圍巖相互作用關(guān)系,加強智能化技術(shù)研究,實現(xiàn)減人提效。

3)實現(xiàn)煤巷千米快掘的有效途徑是掘進的自動化、智能化。研究超前探測、高精度定位導(dǎo)航、自動化與智能化截割、臨時主動支護、錨桿自動化施工技術(shù)與裝備;實現(xiàn)掘支裝備工況、圍巖穩(wěn)定性、支護體及環(huán)境監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析等,系統(tǒng)集成,大幅提高掘進速度與工效。