石炭系坚硬顶板切顶留巷技术与围岩随态控制系统研究.pdf

JinnengHoldirScienceandTechnology2023年6 月53第3 期（总1 9 1 期）晋控科学技术石炭系坚硬顶板切顶留巷技术与围岩随态控制系统研究研发起止时间：2 0 1 8.6 2 0 2 1.6完成单位：晋能控股集团有限公司，晋能控股煤业集团有限公司，中国矿业大学（北京），山东科技大学，晋能控股山西科学技术研究院有限公司成果水平：国际领先1项目背景大同矿区石炭系地层属于典型的坚硬砂岩类型，在此类坚硬砂岩赋存条件进行煤炭资源开采，由此带来的动载矿压、悬顶破断诱发大面积来压、研石帮挤压变形严重化等问题，致使坚硬顶板切顶留巷的矿山压力与围岩控制环境显著恶化，造成大量支护结构失效损毁乃至冒顶、片帮等强烈矿压显现，对安全高效开发形成了严峻挑战。本项目综合采用理论分析、实验研究、技术改革和工程应用的研究手段，经过长期科技攻关和工程实践，对石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩态势演化规律与失稳机理、坚硬顶板切顶预裂爆破关键技术与装置、切顶留巷围岩随态控制理论与方法等进行了系统研究，形成了石炭系坚硬顶板切顶留巷关键技术与围岩随态控制方法。2研究内容（1）明晰石炭系坚硬顶板条件下采场矿压显现与巷道围岩破坏的“双不对称”特征；探究石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩态势时空演化规律；阐明切顶对切顶留巷围岩应力场、位移场的影响规律，为切顶留巷围岩科学控制奠定理论基础。(2)研制适用于石炭系坚硬顶板切顶的三向卸压聚能预裂爆破装置，开展深浅孔组合爆破、分段创造导向孔爆破、新型D型聚能管爆破现场试验，获得石炭系坚硬顶板条件下切顶爆破工艺的关键参数，为石炭系坚硬顶板安全高效切顶提供关键技术支撑。三向卸压聚能预裂爆破装置如图1 所示，三向卸压聚能预裂爆破效果如图2 所示。三向聚能爆破装置前视图三向聚能爆破装置后视图三向聚能爆破装置俯视图连接件前视图连接件后视图连接件俯视图图1三向卸压聚能预裂爆破装置图2三向卸压聚能预裂爆破效果(3)建立切顶留巷碎石帮小结构力学模型，引人结构面闭合法则并阐明切顶留巷碎石帮本构关系，分析基本顶结构不同断裂位置的围岩力学环境及其对切顶留巷围岩破坏的响应特征，探究石炭系坚硬顶板切顶留巷顶板帮部的互馈力学过程，为石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩破坏科学防控提供了理论指导。（4)提出石炭系坚硬顶板围岩随态控制原理，建立2023年第3 期Jinneng Holding Science and Technology54晋控科学技术了基于塑性软化基础边界的“顶板下沉-一槽钢挡研巷内非对称支护的整体稳定性力学模型，形成石炭系坚硬顶板切顶留巷超前支护段刚柔密强支护关键技术，研发石炭系坚硬顶板切顶留巷碎石帮密封装置及其成套施工工艺，提出碎石帮挡研复合加固关键技术，实现切顶留巷围岩破坏的有效动态防控。石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩随态控制现场效果如图3 所示。顶板实体煤帮底板图3石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩随态控制现场效果3主要研究成果(1)研制了三向卸压聚能预裂爆破装置,此装置能够预裂顶板岩体形成三向裂缝，攻克了石炭系坚硬顶板切顶预裂爆破过程中的大面积悬顶难题，有效防控了大面积悬顶跨落诱发的矿山动力灾害。(2)阐明了石炭系坚硬顶板切顶留巷碎石帮挤压破坏机理，分析了切顶结构关键块体对碎石帮围岩破坏的时空影响特征，研发了以“金属网一水泥毯槽钢单体液压支柱”为核心支护单元的碎石帮挡研复合加固关键技术，形成了碎石帮快速密封成套工艺。（3）揭示了石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩随态控制原理，提出了石炭系坚硬顶板切顶留巷顶板下沉槽钢挡研巷内非对称支护技术，形成了石炭系坚硬顶板切顶留巷随态控制方法。4应用效益本项目研究成果已在晋能控股煤业集团成功应用，为石炭系坚硬顶板切顶留巷围岩破坏科学防控提供了理论指导和关键技术支撑，实现了巷道长久安全，有力保障了矿井安全高效生产，取得了显著的社会经济效益。项目于2 0 2 2 年3 月1 8 日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际领先水平。（供稿：晋能控股煤业集团有限公司技术中心杨帆）