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煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术

来源：煤炭学报

来源于《煤炭学报》2020年第3期，共16篇论文。

行业视野: 采矿
类别; 74个
关键词; 77位
专家; 17篇
论文; 29048IP
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“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”专辑特邀主编致读者

作者(Author)：康红普

摘要：　　深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向，深部煤炭资源安全高效开采是煤炭行业必须攻克的关键技术。我国埋深1000m以下的煤炭资源非常丰富，主要分布在中东部地区。该地区的大部分煤矿已进入深部开采，最大开采深度超过1500m，带来一系列开采与岩层控制难题。为保证我国煤炭工业的可持续发展、国家能源安全及中东部经济发达地区的能源供给，千米深井煤炭资源安全高效开发势在必行。　　与浅部煤矿相比，千米深井最大的特点是地应力高、采动影响强烈。已有的地应力测量数据表明，有些千米深井的最大主应力超过40MPa，明显高于煤层和一些岩石的单轴抗压强度，致使围岩变形与破坏特征发生显著变化，突出表现为流变性、扩容性和冲击性。巷道开挖后即表现为变形大、持续时间长、稳定性差，受到工作面强烈采动影响后，围岩变形与破坏进一步加剧，甚至出现冒顶、冲击地压等灾害;采煤工作面矿压显现强烈，煤壁片帮、顶板冒落及支架损坏现象突出。适用于中浅部煤矿的开采与围岩控制技术不能解决千米深井难题。此外，智能开采是煤矿实现安全高效开采的有效途径，近年来该项技术在我国煤矿发展迅速，在一些中浅部或地质条件相对简单的矿井得到推广应用。然而，由于千米深井开采环境的特殊性，目前还没有适合高应力、强采动矿井的智能化开采技术。　　鉴于此，国家在“十三五”期间，将“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”列入国家重点研发计划项目，吸纳了10家我国煤矿围岩控制与智能开采领域一流的科研机构、高等院校和煤炭企业，形成了多学科、多层次的高水平产学研攻关团队。围绕千米深井围岩控制与智能开采，综合考虑巷道和采煤工作面相互影响，以合理加大工作面长度，实现生产集约化，降低掘进率、提高煤炭采出率为思路，以“应力场―围岩变形―围岩控制―开采与围岩控制的智能化―井下试验”为主线，系统研究4个关键科学问题：高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理;高应力、强采动巷道围岩支护—改性—卸压“三位一体”协同控制原理;千米深井超长工作面应力与覆岩结构演化机理;超长工作面多信息融合的智能开采模式，研发形成千米深井巷道围岩支护-改性-卸压“三位一体”协同控制及基于千米深井超长工作面矿压规律的智能开采技术体系。目前，项目研发时间已经过半，取得了一些阶段性研究成果，并在中煤新集口孜东煤矿进行了井下示范工程。　　《煤炭学报》第3期前16篇论文集中报道了“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”研究团队的阶段性研究成果，包括千米深井高应力强采动巷道围岩大变形理论、超长工作面采动应力演化规律、巷道围岩控制原理与技术、巷道围岩注浆改性材料、超长工作面岩层控制与智能开采技术等5个方面的内容，希望专题的刊出可为煤矿千米深井开采与围岩控制提供借鉴。　　在本专辑出版之际，衷心感谢行业有关专家学者在百忙之中对论文的认真评审。同时，感谢为项目提供技术指导和帮助的所有专家，及完成井下示范工程的技术人员和施工队伍。

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煤炭学报

2020年第03期

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煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术

作者(Author)：康红普, 姜鹏飞, 黄炳香, 管学茂, 王志根, 吴拥政, 高富强, 杨建威, 程利兴, 李建忠

摘要：针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题，以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景，分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法，从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面，揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念，采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律，阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料，研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备，形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果，提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数，并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明，巷道围岩协同控制技术应用后，巷道变形量降低50%以上，锚杆、锚索破断率降低90%，工作面采动应力明显减小，有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后，对下一步的研究工作进行了展望。

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煤炭学报

2020年第03期

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千米深井大采高俯采工作面四柱液压支架适应性分析

作者(Author)：王国法, 胡相捧, 刘新华, 于翔

摘要：针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题，统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点，基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型，推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式，得出支架外载荷与顶梁合力和底座合力是一一对应关系，支架能够平衡的外载荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内，否则，支架将不能保持稳定状态;支架极限外载荷区间不是完全覆盖顶梁长度，依据前后排立柱的最大工作阻力和最大拉力分为5个区域:前排立柱达到最大拉力区、后排立柱达到最大工作阻力区、前排立柱达到最大工作阻力区、后排立柱达到最大拉力区、无承载能力区，其中，无承载能力区的区间取决于支架高度、摩擦因数以及顶梁前端至底座前端的水平距离。通过实例分析了支架前后排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦因数对支架适应性的影响，结果表明:支架前后排立柱工作阻力不能相差太大，太大会降低支架的适应性;顶底板松软和较大俯采角度的工作面，支架前后排立柱工作阻力分配比例6∶4时最为合理;通过增大中缸环形面积以提高后柱的受拉能力来提高支架适应性，为了保护导向套和立柱连接件不受损坏，立柱的上腔加装安全阀，并加强后排立柱的连接件强度;摩擦因数取负时，支架极限外载荷区间最小，随支架高度降低，支架极限外载荷区间增大;摩擦因数取非负时，摩擦因数越大，支架前端的承载能力越大，随支架高度降低，支架极限外载荷区间减小。

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千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

作者(Author)：王家臣, 王兆会, 杨杰, 唐岳松, 李冰冰, 孟庆保

摘要：千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂，围岩破坏程度和控制难度升高，威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果，采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段，从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高，稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响，含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角，采动应力旋转造成围岩承载能力降低，采动应力旋转角度愈大，围岩稳定性愈差;采动后，121304工作面采动应力发生旋转，旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关，距采空区边界愈近，采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转，倾角减小，最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转，然后在上述平面内与最大主应力同步旋转，倾角增大;岩层位态升高，采动应力旋转角度先增大后减小，高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响，采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系，提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则，并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。

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2020年第03期

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深部巷道围岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究

作者(Author)：靖洪文, 尹乾, 朱栋, 康红普, 孙彦景, 王勃

摘要：为了探索深部巷道围岩锚固结构从开始承载至整体失稳全过程，揭示围岩内部应力及变形破裂演化规律，以口孜东矿-967 m水平西翼轨道大巷为工程背景，依托自主研制的深部地下工程结构失稳全过程模拟试验系统，结合声发射、电磁辐射、电阻率、数字散斑等多源地球物理信息监测技术，对无支护、锚杆支护及锚杆索支护巷道围岩锚固结构承载特性及变形破裂演化特征进行大尺度物理模型试验研究。试验获得了不同支护锚固结构变形破裂全过程荷载-位移曲线，随着支护强度的增加，荷载-位移曲线应力跌落现象逐渐减弱，而锚固结构峰值承载能力、等效弹性模量和峰值位移分别增加了82.57%，33.33%和107.24%，巷道围岩越容易形成“压力拱”结构效应，抵抗变形的能力逐渐增强;试验过程中，顶板围岩变形量最大，两帮次之，底板最小，锚固结构破坏特征随支护强度的增加由张拉裂纹为主的脆性破坏向剪切滑移为主的塑性破坏转化;多源地球物理信息响应特征与荷载-位移曲线具有良好的耦合关系，随着支护强度的增加，锚固结构内部单位时间破坏次数逐渐减少，电磁辐射强度及脉冲数均逐渐减弱;声发射事件与锚固结构裂纹萌生扩展呈现较好的对应特征，在模型进入非稳定破坏阶段，随着裂纹迅速扩展，声发射活动异常活跃;随着荷载的增加，锚固结构由于裂纹发育趋于松散破裂，视电阻率逐渐升高导致区域导电能力逐渐降低，随着支护强度的增加，锚固结构的高阻区形成时间变大而范围变小。

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煤炭学报

2020年第03期

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微纳米无机注浆材料研发与应用

作者(Author)：张海波, 狄红丰, 侯成岩, 郑冬冬, 柴虎成, 刘浪, 管学茂

摘要：随着煤矿开采深度的增加，千米深井巷道围岩大变形控制难题急需解决，提出了支护-改性-卸压“三位一体”协同控制技术，其中注浆“改性”环节要求注浆材料具有高渗透性和早强性。以硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料，通过优化配比和超细粉磨方法研发了具有早强、高渗透性的微纳米无机注浆材料，测试了材料粒径、比表面积、抗压强度、泌水率和凝结时间;采用自制的注浆模拟系统测试了微纳米无机注浆材料注浆加固煤体效果;在中煤新集口孜东矿进行了现场应用。材料性能实验结果表明，硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰三者最优质量比为10∶8∶2，经超细化加工，材料粒径达到6.7 μm，比表面积为1 200 m2/kg，达到微纳米级别;水灰比为1.0时，6 h抗压强度达到6.8 MPa，泌水率低至2.8%，初凝时间为10 min。煤体注浆加固模拟实验结果表明，注浆前后煤样强度提高24.4%;现场工程应用结果表明，注浆前后锚杆拉拔力提高了81.3%，浆液大量填充煤体裂隙，提高了煤体完整性，扫描电镜观察说明浆液可以通过10 μm裂隙，渗透性良好。与传统水泥基注浆材料相比，微纳米无机注浆材料具有更高的渗透性和早期强度;与有机化学注浆材料相比，微纳米无机注浆材料为无机矿物材料，不燃，具有更低的成本和使用安全性。

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深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

作者(Author)：黄炳香, 张农, 靖洪文, 阚甲广, 孟波, 李楠, 谢文兵, 焦金宝

摘要：与浅部相比，深部巷道，特别是千米深井采动巷道，地应力高、采动影响强烈，导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重，目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此，采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法，从应力强度比出发，并考虑偏应力和梯度应力，提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念，探讨了其科学内涵，并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上，基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征，初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动，且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力，扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发，揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。

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扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

作者(Author)：赵光明, 许文松, 孟祥瑞, 刘崇岩

摘要：地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏，对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验，研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律，分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:① 单面瞬时卸荷时，轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象，轴向应力越大，回弹量越小，压缩量越大;② 随着第二主应力的增大，破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程，第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③ 高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏，第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素，在第二主应力为10 MPa时，试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹，随着第二主应力的增加，试样内部剪切现象逐渐消失，出现的劈裂裂纹增加，在第二主应力为20 MPa时，试样内部基本全部处于劈裂破坏;④ 动静组合作用下，静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素，同等扰动条件下，当静载为破坏强度的80%时，破坏强度为148.6 MPa，静载为破坏值的90%时，岩样的整体破坏强度为142.4 MPa，静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低，静载相同时，随着扰动振幅、频率的增加，岩体的破坏强度越低，对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。

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