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)

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(guó)礦業(yè)大學(xué)

成果水平：國(guó)際領(lǐng)先

1 立項(xiàng)背景

隨著目前煤炭資源的開(kāi)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(duì)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(guò)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(duì)我國(guó)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(chǎng)實(shí)測(cè)、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?jī)?nèi)容

針對(duì)以上工程實(shí)際，原同煤集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)，展開(kāi)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(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)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?jī)?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(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法測(cè)定煤巖體工程地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，為基于生命周期過(guò)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(cè)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(cè)試與評(píng)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(duì)本工作面回采過(guò)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(cè)，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(cè)試與評(píng)估研究成果基礎(chǔ)之上，針對(duì)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(guò)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(duì)不同切頂預(yù)裂關(guān)鍵參數(shù)條件下相鄰工作面回采過(guò)程中切縫巷道圍巖應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(guò)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(cè)并對(duì)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(duì)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(chǎng)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(wàn)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(wàn)元，緩解采掘接續(xù)矛盾，可實(shí)現(xiàn)年增產(chǎn)效益873.6萬(wàn)元，經(jīng)過(guò)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(wàn)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(guò)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。