煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究-.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究,四川芙蓉集团实业有限责任公司,中国矿业大学（北京）,山东科大中天电子有限公司,1,立项背景及总体思路,1,汇报内容,主要研究内容,2,关键技术及创新点,3,技术经济指标及知识产权,4,推动行业科技进步的作用,5,应用推广和经济社会效益,6,2,顶板及煤与瓦斯突出占煤矿各类事故死亡人数,65%,，为事故之首，西南三省更严重,其中,60%,以上的顶板和煤与瓦斯突出事故发生在工作面顺槽，是最大安全威胁,工作面顺槽布置方式分为：常规留煤柱开采和传统无煤柱沿空留巷开采,其它,10%,一、立项背景及研究思路,1,、立项背景,西南地区最为严重,2009,年全国煤矿事故死亡人数比例图,2006-2008,年部分省区煤矿年平均顶板事故,3,长壁留煤柱开采方法,一、立项背景及研究思路,采空区,第一工作面,第二工作面,下顺槽,上顺槽,上顺槽,下顺槽,第二工作面,常规留煤柱开采：,我国煤矿,90%,为长壁开采，常规留煤柱开采岩层断裂移动引起力学叠加和扰动，破坏顶板和形成集中应力，是造成冒顶、瓦斯突出、火灾等自然灾害加剧的根本力学因素。且由于顺槽煤柱的存在，将多丢煤炭,8%,，多掘顺槽巷道,50%,。,留设煤柱,回采煤层,4,一、立项背景及研究思路,第二工作面,第一步：第一个工作面上下顺槽施工,第一工作面,下顺槽,上顺槽,原始煤层及应力分布,5,一、立项背景及研究思路,第二工作面,第一工作面回采,下顺槽,上顺槽,第二步：第一个工作面回采及顶板垮落,采空区矸石,第二工作面,第二工作面,6,其它,10%,三、关键技术及创新点,顶板自然垮落模型,顶板自然垮落应力双峰模型,运输,3.7%,7,长壁无煤柱开采方法,一、立项背景及研究思路,采空区,第一工作面,第二工作面,下顺槽,上顺槽,上顺槽,下顺槽,传统无煤柱沿空留巷开采：,上世纪,60,年代，以德国、英国为主开始研究，从强支护到薄煤皮及巷旁充填，均为刚性被动支护，存在：护巷安全可行性差、成本高、劳动强度大、生产效率低等缺点。近年中国对煤炭的强烈需求，促进了无煤柱开采技术攻关，开发出了高水材料及其输送泵，仍难以满足现场应用需要。导致无煤柱安全高效经济开采这一世界性技术难题，至今尚未攻克。,回采煤层,8,一、立项背景及研究思路,传统留巷方法及顺槽施工,采空区矸石,第二工作面,留煤柱掘巷,外应力场掘巷,原始应力场掘巷,第二工作面,小煤柱掘巷,采空区矸石,第二工作面,沿空留巷,巷旁充填,第二工作面,9,切顶卸压沿空成巷设计研究,工业应用研究,远程实时监控预警中心,恒阻锚杆静力测试系统,岩石水理作用测试系统,T-P,耦合瓦斯运移测试系统,恒阻锚杆动力测试系统,成巷力学模型试验台,恒阻锚网索支护设计,聚能爆破切缝设计,远程实时在线监测设计,切顶卸压沿空成巷试验平台研发,配套关键技术研发,恒阻让压支护技术,爆破切缝技术,治灾技术措施,切顶卸压沿空成巷理论研究,数学力学,理论模型,采场应力分布特征,数值计算力学模型,切顶支护,阻力确定,矿压远程监测技术,2,、研究思路：,为有效防范安全事故和提高煤炭资源回收，从而提出了本课题。,建立主动切顶卸压成巷无煤柱开采新技术理论。,项目总体研究技术路线图,一、立项背景及研究思路,10,1,、主动切顶卸压沿空成巷机理及力学模型研究,建立切顶卸压沿空成巷力学、物理、数值模拟实验模型，研究切顶卸压沿空成巷过,程中的变形失稳规律，以及采矿参数等工程条件的影响规律，找出主控参数，构建,力学模型试验系统，揭示主动切顶卸压沿空成巷机理。,2,、主动切顶卸压沿空成巷试验测试平台研发,构建切顶卸压沿空成巷试验物理力学模型系统，解决主动切顶卸压沿空成巷模拟及,工业设计参数优化难题；研究建立沿空成巷过程中的,T-P,耦合瓦斯突出与解析模拟,实验装置、围岩吸水软化试验装置，解决室内实验设备问题。,3,、双向聚能爆破主动切顶装置及技术研发,开发适用煤矿的新型双向聚能爆破装置，及双向聚能爆破预裂顶板技术，解决既能,主动切顶，又尽可能减少因爆破对沿空巷道围岩破坏的技术难题。,二、主要研究内容,11,4,、新型恒阻大变形锚杆索支护材料及技术研发,开发适用沿空巷道变形规律的新型锚杆索支护材料，及与之配套的测试平台。解决,现有支护材料难以适应沿空巷道变形，岩层断裂扰动造成的支护技术难题。,5,、矿压远程实时监测及预警系统的研发,开发沿空巷道矿压在线实时监测及预警系统，解决常规人工观测不能及时掌握矿压,显现规律和改变支护的技术难题。,6,、主动切顶卸压沿空成巷工艺的研发,研究并建立主动切顶卸压沿空成巷的系统工艺，解决理论技术的工业应用问题。,二、主要研究内容,12,1,、建立了主动切顶卸压沿空成巷新技术理论,切顶卸压沿空成巷,预裂高度卸压效应,三、关键技术及创新点,（,a,）预裂高度,2m,最大主应力场 （,b,）预裂高度,4m,最大主应力场,（,c,）预裂高度,6m,最大主应力场 （,d,）预裂高度,8m,最大主应力场,13,其它,10%,三、关键技术及创新点,顶板自然垮落模型,顶板自然垮落应力双峰模型,运输,3.7%,需切顶沿空成巷位置,14,切顶卸压沿空成巷力学模型图,三、关键技术及创新点,工作面,下一工作面,锚索,上顺槽,下顺槽,底板,煤层,直接顶,老顶,15,57,天,30,天以上,三、关键技术及创新点,预裂切缝,切顶卸压沿空成巷数学力学模型,恒阻锚索,16,三、关键技术及创新点,沿空切顶模型,沿空切顶成巷应力双峰模型,巷旁单体支柱,切落成巷帮,恒阻锚索,17,三、关键技术及创新点,沿空切顶支护阻力：,57,天,其中：,18,煤岩,T-P,耦合瓦斯解析运移特性实验装置,2,、研发了主动切顶卸压沿空成巷试验测试平台,三、关键技术及创新点,TP,耦合气化效应实验主机,出气管口,高灵敏度,微压传感器,高灵敏度流量计量仪,放气口,气相色谱分析仪,K,2,K,1,19,三、关键技术及创新点,切顶成巷物理力学模型试验装置,切顶成巷围岩水理测试试验装置,模拟了不同煤岩参数条件下，最佳的主动切顶卸压成巷技术指标和操作工艺，提高了成巷的安全可行性。,20,3,、研发了沿空切顶双向聚能爆破装置及技术：,发明了适用于煤矿切顶的双向聚能爆破装置，研发了沿空切顶双向聚能控制爆破技术，解决了沿空巷道顶板预裂爆破时对围岩破坏的技术难题。,三、关键技术及创新点,灰岩聚能爆破效果,花岗岩聚能爆破效果,21,沿空切顶成巷井下聚能爆破切缝预裂后切落块体,三、关键技术及创新点,22,4,、研发了恒阻大变形锚索（杆）新型支护材料及技术,三、关键技术及创新点,传统锚杆（索）存在问题：,延伸量低,(80mm),，无法适应沿空巷道大变形及冲击大变形，过早破断失去承载力,适合于切顶卸压沿空成巷的支护材料,恒阻大变形锚索,(,杆,),恒阻力达到,120,130KN,延伸量达到,0.3,0.65m,动态,9820.5J,冲击能量，冲击,5,次，锚索伸长量达,1.0,1.2m,仍能保持有效支护,可以充分适应沿空巷道大变形及冲击大变形对延伸量的要求，处于领先水平。,恒阻大变形装置,锚索杆体,锚索托盘,恒阻大变形锚杆结构设计示意图,23,恒阻锚杆索静力测试平台,恒阻锚杆索冲击动力测试平台,控制台,主机系统,三、关键技术及创新点,24,三、关键技术及创新点,5,、研发了矿压远程实时监测及预警系统,现场监测数据 就地储存 发送到远程工作室,(,矿井、北京试验室,),自动实时分析判断 隐患预警 管理、现场、试验室 采取措施防止事故,北京试验室监测中心,白皎煤矿监测中心,25,监测参数：,采集锚索荷载、顶板离层量,、,矿压,三、关键技术及创新点,巷道围岩稳定,应力传感器,应力信号储存,应力信号发射,离层岩体,深部岩体,相互作用,应力监测,应力信号激发,应力信号接收,应力状态稳定,应力状态不稳定,围岩稳定性判定及控制对策,巷道工程情况,应力动态曲线,应力信号处理,巷道围岩分区,巷道测点布置,岩体应力动态显示,应力预警曲线,室内接收分析系统,现场采集发射系统,26,57,天,三、关键技术及创新点,锚索受力仪安装,顶板离层仪安装,井上监测中心界面,远程监测中心界面,27,6,、研发了切顶卸压沿空成巷工艺流程,三、关键技术及创新点,施工采面上下顺槽下顺槽采空侧超前加固锚索及顶板预裂爆破施工动压临时加强支护及远程实时监测系统布设工作面回采高强沿空挡矸支护，采场顶板周期来压自动切顶卸压成巷回收工作面后方矿压稳定区沿空成巷内支护材料，并喷浆封闭采空区第二个采煤工作面无煤柱开采。,28,切顶卸压成巷无煤柱开采示意图,四、主要技术经济指标及知识产权,采空区,第一工作面,第二工作面,下顺槽,上顺槽,上顺槽,下顺槽,1,、试验区安全沿空成巷,460,米，并实现了第二个工作面的无煤柱开采。为世界首次实现自动成巷无煤柱开采。,回采煤层,29,工作面机巷后方切顶成巷断面图,工作面后方,150m,工作面后方,50m,工作面后方,100m,工作面后方,200m,工作面后方,350m,工作面后方,450m,四、主要技术经济指标及知识产权,30,第二工作面风巷前方二次复用断面图,工作面前方,30m,工作面前方,200m,工作面前方,300m,工作面前方,350m,工作面前方,400m,工作面前方,450m,四、主要技术经济指标及知识产权,31,2,、试验区沿空成巷每米造价,465.78,元，仅为原传统方法,(,每米造价,3075,元,),的,15%,，相比节约,85%,，即,2609,元,/,米，共节约,120,万元。,3,、与常规留煤柱开采相比：,.,少掘一条,460,米的巷道及矸石运输排放，节约,182,万元。,.,多回收,10,米宽的煤柱资源,10626,吨，增加产值,441.6,万元。,.,节约防突工程费,312.8,万元。节约巷道施工时间,3,个月，使第二个工作面提前,3,个月开采，多出煤,86742t,，直接效益,867,万。共计,1803.4,万元。,4,、安全威胁大幅降低，社会效益显著。采用沿空成巷后，消除了常规留煤柱开采顺槽巷道施工存在的煤与瓦斯突出等安全威胁。采用,Y,型通风和底板网格强力抽采瓦斯技术，瓦斯威胁大幅降低。由于采用超前作业，避免了传统沿空留巷需大量人员搬运材料设备，进入沿空留巷段长时间高强度施工作业的安全风险，安全威胁和职工劳动强度大幅降低，采煤生产效率提高,15%,左右。取消了传统高水充填护巷材料，减少了环境污染和能源消耗。,四、主要技术经济指标及知识产权,32,四、主要技术经济指标及知识产权,获国家发明专利,5,项,序号,名 称,专利号,专利类型,1,一种双向聚能张拉成型爆破管,ZL200610113007X,发明专利,2,一种用于测试地层深部软岩水理作用的测试仪,ZL200610113006.5,发明专利,3,一种深部岩体工程灾害模型实验方法,ZL200710119124.1,发明专利,4,一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法,ZL200710119125.6,发明专利,5,一种测试煤岩体中气体运移过程的方法及装置,ZL200910088810.6,发明专利,33,公开发表学术论文,3,篇,四、主要技术经济指标及知识产权,序号,作者,论文名称,期刊名称,发表时间,1,何满潮,陶志刚,滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用,岩石力学与工程学报,2009.6,2,何满潮,王春光,单轴应力,-,温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征,岩石力学与工程学报,2010.5,3,何满潮,张国锋,白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究,采矿与安全工程学报,2011.10,34,经国家一级查新机构，煤炭技术信息研究院科技查新中心查新，结论为,:,国内外未见与煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究相同内容的报道。,四、主要技术经济指标及知识产权,经省科技厅组织相关院士组成的,专家组鉴定，认为：“该项目坚持理论、实验室研究、现场应用和实践检验的紧密结合，在实践中得到成功应用，消除了工作面留设煤柱引发的顶板事故、冲击地压、煤与瓦斯突出等安全隐患，,经济社会效益显著。研究的创造性、系统性、科学性方面达到了新的高度，达到了国际领先水平，具有广阔的推广前景。,35,针对常规留煤柱开采和传统沿空留巷无煤柱开采的技术理论难点，建立了主动切顶卸压沿空成巷无煤柱开采理论。变被动支护留巷为主动切顶卸压成巷，变害为利，解决了无煤柱安全高效经济开采世界难题，为煤矿安全高效生产提供了重要的技术支撑，具有很好的示范和带动作用。由于理论先进，可操作和实用性强，安全威胁小，成本低，劳动生产效率高等优势。能较好的促进煤炭企业大规模推广应用，并提升中国煤炭行业开采的技术装备水平。由于拥有相关自主知识产权，且降低了环境污染和能耗，可提高在国际煤炭开采技术上的合作水平和竞争力。,该项目开发的恒阻锚索、聚能爆破、远程矿压实时监测预警技术，均可单独应用到煤矿和其它矿山、遂道工程等，可提高安全度和工程质量，降低工程成本，应用前景广阔。,五、推动行业科技进步的作用,36,1,、在白皎煤矿应用：,.2010,年在试验区沿空成巷,460,米。,.2011,年在第二个工作面实现无煤柱开采，并对第三个工作面实现切顶成巷,520,米。每米效益为,2.3,万元。,芙蓉矿区每年需沿留巷无煤柱开采,4600,米，则可取得经济效益,1.058,亿元。若每年对全国国有重点煤矿按,10%,进行推广，则年可多回收煤炭资源,2500,万吨，增收节支效益,126,亿元。推广应用前景和工业价值十分巨大。,2,、推广应用：已推广应用到杉木树矿、沈北矿区清水煤矿。与四川煤炭产业集团公司签定了推广应用研究协议，将在四川国有重点煤矿中推广应用。另重庆天府矿区、黑龙江鸡西矿区、贵州盘江矿区等已到现场考察过，推广应用愿望强烈，正在做推广应用前期工作。恒阻锚索、聚能爆破、远程矿压实时监测预警专有技术，已形产品制造并大量销售应用。,3,、社会效益：大幅降低了煤与瓦斯突出等自然灾害安全威胁；减轻了职工劳动强度，提高了劳动生产效率，可实现高产高效开采；增加了煤炭资源回收，降低了护巷成本，提高了企业经济效益；取消了传统高水充填护巷材料，减少了环境污染和能源消耗。经济效益和社会效益特别显著。,六、应用推广和经济社会效益,37,谢谢！,汇报完毕，不妥之处，请批评指正。,38,