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煤炭人訊：2019年以來(lái)，山西大同煤礦集團(tuán)研發(fā)出一項(xiàng)“黑科技”，有效破解了頂板治理難題。這項(xiàng)“黑科技”就是堅(jiān)硬頂板復(fù)雜結(jié)構(gòu)強(qiáng)礦壓作用機(jī)理及控制技術(shù)。

利用這項(xiàng)技術(shù)，同煤集團(tuán)采用避讓優(yōu)先、卸支同步的治理手段，采取跳采、小煤柱開(kāi)采、無(wú)煤柱開(kāi)采、地面壓裂、水壓致裂、鏈臂鋸智能切縫等治理措施，提高了煤炭資源回收率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，有效保障了安全生產(chǎn)。這項(xiàng)技術(shù)獲得2019年度中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

掌握特厚煤層巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律

大同礦區(qū)是我國(guó)大型煤炭生產(chǎn)基地之一，也是國(guó)內(nèi)外典型的厚層堅(jiān)硬難冒頂板賦存礦區(qū)。長(zhǎng)期以來(lái)，同煤集團(tuán)不斷破解“兩硬”（頂板硬、煤層硬）開(kāi)采難題，積累了大量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

但是，隨著礦井開(kāi)采不斷延伸，特厚煤層（14米至20米）綜放開(kāi)采強(qiáng)礦壓給同煤集團(tuán)帶來(lái)了安全隱患：順序開(kāi)采、大煤柱（38米）條件下，臨空動(dòng)壓開(kāi)采遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)強(qiáng)烈，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)臨空巷道產(chǎn)生沿巷道斷面徑向的擠壓力，液壓支架安全閥頻繁開(kāi)啟、壓架冒頂，甚至工作面超前150米范圍內(nèi)的臨空側(cè)巷道還會(huì)發(fā)生變形、破壞……雖然同煤集團(tuán)采取了多項(xiàng)預(yù)防、治理措施，但是效果都不太理想。

經(jīng)過(guò)探索研究，同煤集團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只有精確掌握大同礦區(qū)特厚煤層綜放開(kāi)采條件下的大空間采場(chǎng)巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有針對(duì)性地進(jìn)行巖層控制，才能解決這些問(wèn)題。

為此，研究團(tuán)隊(duì)從井下礦壓、覆巖運(yùn)移、地表沉陷3個(gè)方面尋找突破點(diǎn)，發(fā)明了大尺度“三位一體”原位實(shí)測(cè)成套技術(shù)，建立了大空間覆巖“懸臂梁+砌體梁+高位結(jié)構(gòu)”，揭示了遠(yuǎn)近場(chǎng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的礦壓作用機(jī)理，為頂板防治提供了理論依據(jù)。

此后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用合理的治理手段進(jìn)行攻關(guān)，總結(jié)出一套自己特有的方法，即避讓優(yōu)先、卸支同步。

“如何進(jìn)行避讓？我們主要應(yīng)用跳采、小煤柱、無(wú)煤柱等開(kāi)采方法。我們根據(jù)儲(chǔ)量、采掘銜接實(shí)現(xiàn)多層位、多盤區(qū)跳采，避免臨空布置工作面，有效避免了采掘交鋒，實(shí)現(xiàn)源頭避壓。”時(shí)任同煤集團(tuán)總工程師的鮑永生說(shuō)，“實(shí)施小煤柱開(kāi)采，根據(jù)壓力分布將順槽留在卸壓區(qū)，從煤柱留設(shè)上減壓、讓壓，把順槽的集中壓力讓到工作面。在推廣應(yīng)用小煤柱開(kāi)采技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們引進(jìn)并應(yīng)用了自動(dòng)切頂成巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)，不留煤柱，切斷應(yīng)力傳遞，實(shí)現(xiàn)了真正避壓。”

據(jù)了解，2019年，同煤集團(tuán)30處礦井的33個(gè)工作面成功應(yīng)用了小煤柱開(kāi)采技術(shù)。開(kāi)采煤層從中厚煤層（2米至3米）延伸到特厚煤層（18米至23米），煤柱留設(shè)由38米減小到6米，甚至發(fā)展到無(wú)煤柱開(kāi)采，全集團(tuán)資源回收率平均提高3.6%，并延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，為安全高效生產(chǎn)提供了有力保障。

實(shí)施近場(chǎng)巖層定向預(yù)裂卸壓

采取避壓措施后，工作面仍有壓力，怎么辦？同煤集團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)給出了解決方案：必須進(jìn)行近遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層工程卸壓，實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)控。

鮑永生介紹，傳統(tǒng)卸壓是人工聚能爆破，將頂板提前預(yù)裂，但受特厚煤層綜放開(kāi)采強(qiáng)礦壓影響，不同地質(zhì)條件爆破半徑大相徑庭，裂縫不能完全貫通，工作面頂板覆巖層自動(dòng)垮落不完整時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了采空區(qū)填充效果，只有開(kāi)展精準(zhǔn)定向預(yù)裂卸壓，才能解決這些問(wèn)題。

針對(duì)近場(chǎng)關(guān)鍵層， 研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了深孔承壓爆破技術(shù)，通過(guò)預(yù)設(shè)鉆孔內(nèi)傳爆介質(zhì)的壓力改變****的爆炸性能，提高****爆炸能量利用率，配合使用60兆帕特高壓水壓致裂技術(shù)及裝備，擴(kuò)大水壓致裂應(yīng)用范圍，減小基本頂初次垮落及周期來(lái)壓步距，并降低其強(qiáng)度；自主研發(fā)了礦用智能鏈臂鋸切頂機(jī)，用于3米至3.5米的中厚煤層無(wú)煤柱、小煤柱近場(chǎng)工作面切頂卸壓，以機(jī)械鏈臂代替爆破，實(shí)現(xiàn)裂縫貫通完全垮落。

“2019年7月，我們研發(fā)的礦用智能鏈臂鋸切頂機(jī)在井下累計(jì)切割36刀，切割長(zhǎng)度160米，面積達(dá)623平方米。其最大切縫深6.6米、寬42毫米，試驗(yàn)運(yùn)行取得一次成功。這推動(dòng)了無(wú)煤柱工作面切頂工藝由人工爆破切頂向機(jī)械精準(zhǔn)切頂轉(zhuǎn)變。”同煤集團(tuán)綜采裝備安裝分公司總工程師王自衛(wèi)說(shuō)。

2019年，研究團(tuán)隊(duì)又將近場(chǎng)巖層切頂卸壓技術(shù)投向復(fù)合射孔。

“該理論最早應(yīng)用在石油、天然氣領(lǐng)域，后來(lái)潞安集團(tuán)將其運(yùn)用于增強(qiáng)煤層透氣性及提高瓦斯抽采率。受此啟發(fā)，我們結(jié)合巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將超深穿透射孔彈和射孔槍作為試驗(yàn)器材，瓦斯抽采射孔管串激發(fā)點(diǎn)火后，在形成射孔孔道的同時(shí)，由復(fù)合推進(jìn)劑產(chǎn)生的高溫高壓氣體進(jìn)一步楔入增裂，形成孔縫融合的定向連續(xù)裂縫面，增大了煤層的孔隙裂隙。”同煤集團(tuán)同大科技院技術(shù)科科長(zhǎng)紀(jì)潤(rùn)清說(shuō)，“現(xiàn)在，我們正在同時(shí)進(jìn)行不同地質(zhì)環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采取相應(yīng)的打鉆工藝、封孔工藝和施工安全措施。”

應(yīng)用遠(yuǎn)場(chǎng)堅(jiān)硬頂板壓裂控制技術(shù)

根據(jù)特厚煤層巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層的破斷對(duì)臨空巷道的變形有著巨大影響，是造成臨空側(cè)巷道變形的主要原因，只有遠(yuǎn)場(chǎng)配合定向預(yù)裂卸壓，才能有效抑制特厚煤層堅(jiān)硬頂板綜放開(kāi)采條件下的采場(chǎng)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，并解決因頂板大面積破斷造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限的難題。

為了獲得精準(zhǔn)的理論數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)做了大量研究。他們建立了彈塑本構(gòu)模型和水壓裂縫面峰值剪切強(qiáng)度模型，揭示了水壓致裂弱化堅(jiān)硬頂板巖體強(qiáng)度的機(jī)理；應(yīng)用自主研發(fā)的深部煤巖工程多功能物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展大尺寸原巖試件真三軸水力壓裂試驗(yàn)，摸清了水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律及網(wǎng)絡(luò)裂縫分布特征；通過(guò)分析回采參數(shù)、堅(jiān)硬頂板層位對(duì)水壓裂縫擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律，探明了壓裂時(shí)機(jī)、層位與采場(chǎng)空間的關(guān)系。

此外，同煤集團(tuán)還與西安通源石油公司合作，共同發(fā)現(xiàn)了地面壓裂堅(jiān)硬頂板控制采場(chǎng)礦壓的新方法，運(yùn)用地面垂直井壓裂技術(shù)及水平井壓裂技術(shù)，利用壓裂液與砂巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶蝕孔隙內(nèi)的礦物，降低裂縫面的巖體強(qiáng)度，改變遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層的破斷特性，減少遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層破斷時(shí)的能量釋放，抑制巖層活動(dòng)范圍及關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的壓力傳遞，弱化遠(yuǎn)場(chǎng)高位巖層，從根本上解決了強(qiáng)礦壓難題。

“經(jīng)過(guò)不斷研究，我們發(fā)現(xiàn)在預(yù)控技術(shù)體系中有個(gè)臨界層位。處于臨界層位之下的巖層產(chǎn)生破斷、運(yùn)動(dòng)才會(huì)對(duì)礦壓造成影響。為此，我們選擇弱化的巖層必須位于臨界層位之下的某一層或幾層關(guān)鍵層。臨界層位的確定至關(guān)重要，今后，我們將繼續(xù)研究分析，讓弱化的巖層層位選擇更精準(zhǔn)、弱化效果更好。”同大科技院采礦研究所所長(zhǎng)劉錦榮說(shuō)。