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破解顶板治理难题,同煤有“黑科技”

时间:2020-03-27 19:22:43 来源:中国煤炭报 编辑:李佳荣

  2019年以来,山西大同煤矿集团研发出一项“黑科技”,有效破解了顶板治理难题。这项“黑科技”就是坚硬顶板复杂结构强矿压作用机理及控制技术。

  利用这项技术,同煤集团采用避让优先、卸支同步的治理手段,跳采、小(无)煤柱、地面压裂、水压致裂、链臂锯智能切缝等治理措施,提高了资源回收率,延长了矿井服务年限,有效保障了安全生产。这项技术获得2019年度中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。



 

  KLJ7智能链臂切顶机

  掌握特厚煤层岩层运动规律

  大同矿区是我国最大的煤炭生产基地之一,也是国内外典型的厚层坚硬难冒顶板赋存矿区。长期以来,同煤集团不断破解“两硬”(顶板硬、煤层硬)开采难题,积累了大量技术经验,取得了显著的经济效益。

  但是随着进入下部石炭系开采以来,特厚煤层(14-20m)综放开采强矿压产带来的安全隐患越来越不容忽视:顺序开采、大煤柱(38米)条件下,临空动压开采远场结构失稳强烈,回转运动对临空巷道产生沿巷道断面径向的挤压力,液压支架安全阀频繁开启、压架冒顶,甚至工作面超前150 m范围内的临空侧巷道还会出现变形、破坏......虽然采取了很多措施进行预防治理,但是效果都不太理想。

  经过探索研究,同煤集团研究团队发展,只有精确掌握大同矿区特厚煤层综放开采条件下的大空间采场岩层运动规律,针对性地进行岩层控制,才能解决这些问题。

  为此,科研团队从井下矿压、覆岩运移、地表沉陷三个方面寻找突破点,发明大尺度“三位一体”原位实测成套技术,确立了大空间覆岩“悬臂梁+砌体梁+高位结构”,揭示了远近场结构失稳的矿压作用机理,为顶板防治提供了理论依据。

  此后,研究团队进一步采用合理的治理手段进行攻关,总结出一套自己特有的方法,即避让优先、卸支同步。

  如何进行避让?主要应用跳采、小煤柱、无煤柱方法。“根据储量、采掘衔接实现多层位、多盘区跳采,避免临空布置工作面,有效避免采掘交锋,实现源头避压。”时任同煤集团总工程师的鲍永生介绍道,“实施小煤柱开采,根据压力分布将顺槽留在卸压区,从煤柱留设上减压、让压,把顺槽的集中压力让到工作面。在推广应用小煤柱技术的基础上,引进应用自动切顶成巷无煤柱开采技术,不留煤柱,切断应力传递,实现真正避压。”

  据了解,2019年同煤集团30座矿井33个工作面成功运用小煤柱开采技术,开采煤层从中厚煤层(2-3米)延伸到特厚煤层(18-23米),煤柱留设也由38米减小为6米甚至发展到无煤柱,全集团资源回收率平均提高3.6%,在提高煤炭资源回收率和矿井服务年限的同时,也为矿井安全高效生产提供了有力保障。

  实施近场岩层定向预裂卸压

  采取避压措施后,工作面仍有压力,怎么办?同煤集团研究团队给出了解决方案:必须进行近远场关键层工程卸压,实现分级预控。

  鲍永生介绍,传统卸压是人工聚能爆破,将顶板提前预裂,但受特厚煤层综放开采强矿压影响,人工聚能爆破不同地质条件爆破半径大相径庭,裂缝不能完全贯通,工作面顶板覆岩层自动垮落不完整时有发生,严重影响了采空区填充效果,只有开展精准定向预裂卸压,才能解决这些问题。

  针对近场关键层,发明“深孔承压爆破技术”专利技术,通过预设钻孔内传爆介质的压力改变炸药爆炸性能,提高炸药爆炸能量利用率,配合使用60MPa特高压水压致裂技术及装备,扩大水压致裂应用范围,减少基本顶初次垮落及周期来压步距和强度;自主设计生产KLJ7型矿用智能链臂锯切顶机,用于3-3.5米的中厚煤层无煤柱、小煤柱近场工作面切顶卸压,以机械链臂代替爆破,实现裂缝贯通完全垮落。

  “2019年7月,KLJ7型矿用智能链臂锯切顶机在井下累计切割36刀,切割长度160米,面积623平米。最大切缝深度达到6.6m,宽度42mm,试验运行取得一次成功,推动了无煤柱工作面切顶工艺由人工爆破切顶向机械精准切顶转变。”同煤集团综采装备安装分公司总工程师王自卫说。

  2019年,研究团队又将近场岩层切顶卸压技术投向了复合射孔技术。

  “该理论最早是在石油天然气领域运用的,后来潞安集团将其运用于增加煤层透气性以及提高瓦斯抽采率上,我们受此启发,结合岩层运动规律,将超深穿透射孔弹和射孔枪作为试验器材,瓦斯抽采射孔管串激发点火后,在形成射孔孔道的同时,复合推进剂产生的高温高压气体进步楔入增裂,形成孔缝融合的定向连续裂缝面,增加煤层的孔隙裂隙。”同煤集团同大科技院技术科纪润清介绍道,“现在,我们正在同时进行不同地质环境下的现场试验,建立相应的打钻工艺、封孔工艺和施工安全措施。”

  应用远场坚硬顶板压裂控制技术

  根据特厚煤层岩层运动规律,远场关键层的破断对于临空巷道的变形有着巨大的影响,是造成临空侧巷道变形的主要原因。因此,只有远场配合定向预裂卸压,才能有效抑制特厚煤层坚硬顶板综放开采条件下采场强矿压显现,并解决因顶板大面积破断造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限的难题。

  为了获得精准的理论数据,研究团队做了大量的实验研究。首先,建立弹塑本构模型和水压裂缝面峰值剪切强度模型,揭示水力压裂弱化坚硬顶板岩体强度的机理。其次,应用自主研发的深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统,开展大尺寸(1420×530×420mm)原岩试件真三轴水力压裂试验,获得了水压裂缝扩展规律及网络裂缝分布特征。最后,通过分析回采参数、坚硬顶板层位对水压裂缝扩展的动态影响规律,探明了压裂时机、层位与采场空间的关系。

  此外,同煤集团还与西安通源石油公司合作,共同研发地面压裂坚硬顶板控制采场矿压的新方法,运用地面垂直井压裂技术及水平井压裂技术,利用压裂液与砂岩发生化学反应,溶蚀孔隙内的矿物,降低裂缝面的岩体强度,改变远场关键层的垮断特性,从而减少远场关键层破断时的能量释放、减小岩层活动范围以及关键层结构失稳的压力传递,弱化远场高位岩层,根治强矿压难题。

  “经过不断研究,我们发现在预控技术体系中有个临界层位,即处于该层位之下的岩层的破断、运动才会对矿压产生影响,选择弱化的岩层必定位于该临界层位之下的某一层或几层关键层。因此,临界层位的确定至关重要,今后将我们继续在现场工程实施过程中,对比对哪一层关键层进行弱化处理,使弱化岩层层位的选择更精准,弱化效果更好。”同煤集团同大科技院采矿研究所所长刘锦荣说。

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