人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板机理与关键技术

研发起止时间：2019.02～2020.06

完成单位：晋能控股煤业集团有限公司、中国矿业大学

成果水平：国际领先

1 立项背景

随着目前煤炭资源的开采不断走向深地，为保证下阶段回采巷道的稳定性，往往采取增加护巷煤柱的宽度的手段，而这会造成大量煤炭资源的浪费。本课题针对塔山煤矿在坚硬厚分层顶板岩层条件下，为保证回采巷道在重复强动压扰动下的稳定性，并避免增加护巷煤柱宽度，通过揭示动压扰动小煤柱护巷条件下“实体煤帮—顶板岩梁—屈服煤柱”的链式承载结构失稳机理，提出并实践了“顶板预裂—帮顶协支”围岩控制理论与关键技术，为晋能控股集团推进煤矿巷道围岩控制技术改革，保障了深部强动压巷道稳定性，并对我国中西部矿区煤炭资源保护意义重大。本项目综合运用了采矿工程、弹塑性力学、矿山岩体力学等学科理论与技术，采用现场实测、理论分析、数值计算和工业性试验相结合的方法，系统研究了“人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板机理与关键技术”理论、成套装备及其关键技术。

2 研究内容

针对以上工程实际，原同煤集团联合中国矿业大学科研团队，展开技术攻关，以塔山煤矿三盘区西翼2311 巷与2312 巷为工程背景，采用理论研究、实验室试验、数值计算和现场工业性试验相结合的研究方法，对坚硬顶板条件下链臂锯切缝、密集钻孔切顶等不同切顶预裂技术切顶卸压留巷的覆岩破断规律、矿压作用及岩层结构特征进行研究，主要研究内容如下：

（1）坚硬顶板人造非连续弱面围岩控制机理研究

利用煤岩体工程力学性质原位测试系统现场原位测试方法，结合实验室试验方法测定煤岩体工程地质力学参数，为基于生命周期过程的人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板技术研究提供依据。测试内容主要包括：矿井地应力分布规律、围岩强度（单轴抗压强度、抗剪强度）、围岩结构（松动圈），为人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板技术研究提供依据。在煤岩体工程地质力学状况测试与评估研究成果基础之上，依据塔山煤矿三盘区生产技术条件建立理论分析与数值计算模型，对本工作面回采过程中回采巷道及临近工作面回采巷道围岩变形与围岩应力变化特征进行监测，得出重复采动影响下强矿压显现机理。在煤岩体工程地质力学状况测试与评估研究成果基础之上，针对塔山矿三盘区工程地质特征和生产技术条件，系统研究链臂锯切缝、密集钻孔切顶等不同切顶预裂技术条件下切顶预裂巷道及相邻工作面回采巷道顶板弱化机理。从理论分析、数值计算（如图1所示）、相似模拟试验的角度揭示人造连续/非连续弱面弱化机理。

图1 人造非连续弱化带示意图

（2）坚硬顶板连续/非连续弱面围岩控制机理研究

基于塔山煤矿三盘区坚硬顶板生产地质条件，通过理论分析手段，建立切顶预裂前后切顶预裂巷道及相邻工作面回采巷道顶板应力传递力学模型；建立切顶预裂顶板卸压数值计算模型，对不同切顶预裂关键参数条件下相邻工作面回采过程中切缝巷道围岩应力分布进行监测，提出人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板主控参数，如图2所示。结合理论分析、数值计算结果，揭示人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板围岩控制机理。

（3）人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板围岩控制关键技术研究

通过理论分析与数值计算的方法，得出人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板关键技术参数，包括切缝方式、切缝高度、切缝角度、切缝时机等，提出基于人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板技术的切顶预裂巷道及相邻工作面回采巷道围岩控制技术关键参数，形成基于人造连续/非连续弱面弱化坚硬顶板技术的围岩控制技术体系。

3 创新成果

（1）基于大同煤田坚硬顶板工程地质条件，创建了考虑塑性煤体承载能力自衰减的顶板岩梁破断理论及控制方法，揭示了动压扰动小煤柱护巷条件下“实体煤帮—顶板岩梁—屈服煤柱”的链式承载结构失稳机理，提出了“顶板预裂—帮顶协支”的围岩控制理论，丰富了坚硬顶板条件下巷道围岩稳定性控制理论与技术。

（2）揭示了坚硬顶板内连续/非连续弱面成形及弱化机理，提出了链臂锯机械预裂与密集钻孔弱化预裂两项人造弱面技术，实测并对比分析了连续/非连续弱面弱化效果，掌握了连续/非连续弱面构筑关键技术及设计方法，完善了坚硬顶板预裂控制技术体系。

（3）基于对动压扰动小煤柱护巷条件下巷道围岩应力应变及顶板坚硬岩梁破断的全生命周期时空演化规律的研究，验证了“顶板预裂—帮顶协支—小煤柱耦合护巷”技术的可行性，形成了一套用于解决坚硬顶板强动压扰动条件下巷道围岩控制新工艺。

4 应用效果

项目研究成果在塔山矿三盘区8311、8312工作面进行了现场应用，采用切顶预裂治理临近工作面尾巷强矿压技术可节省支护成本94.67 万元，减少护巷煤柱宽度，提高煤炭回收率，增加经济效益1416.6万元，缓解采掘接续矛盾，可实现年增产效益873.6万元，经过护巷煤柱宽度优化设计和巷道布置方式的优化，减少二次返修成本518.7万元。有效改善了工作面临空巷道围岩应力状态，实现了矿井的安全高效生产。

本项目于2021 年4 月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，获国际领先水平。