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破解頂板治理難題,同煤有“黑科技”!

2020-04-01 來源: 《中國煤炭報》

KLJ7智能鏈臂切頂機

  2019年以來,山西大同煤礦集團研發出一項“黑科技”,有效破解了頂板治理難題。這項“黑科技”就是堅硬頂板復雜結構強礦壓作用機理及控制技術。
  利用這項技術,同煤集團采用避讓優先、卸支同步的治理手段,跳采、小(無)煤柱、地面壓裂、水壓致裂、鏈臂鋸智能切縫等治理措施,提高了資源回收率,延長了礦井服務年限,有效保障了安全生產。這項技術獲得2019年度中國煤炭工業協會科學技術獎一等獎。 

掌握特厚煤層巖層運動規律

  大同礦區是我國最大的煤炭生產基地之一,也是國內外典型的厚層堅硬難冒頂板賦存礦區。長期以來,同煤集團不斷破解“兩硬”(頂板硬、煤層硬)開采難題,積累了大量技術經驗,取得了顯著的經濟效益。
  但是隨著進入下部石炭系開采以來,特厚煤層(14-20m)綜放開采強礦壓產帶來的安全隱患越來越不容忽視:順序開采、大煤柱(38米)條件下,臨空動壓開采遠場結構失穩強烈,回轉運動對臨空巷道產生沿巷道斷面徑向的擠壓力,液壓支架安全閥頻繁開啟、壓架冒頂,甚至工作面超前150 m范圍內的臨空側巷道還會出現變形、破壞......雖然采取了很多措施進行預防治理,但是效果都不太理想。
  經過探索研究,同煤集團研究團隊發展,只有精確掌握大同礦區特厚煤層綜放開采條件下的大空間采場巖層運動規律,針對性地進行巖層控制,才能解決這些問題。
  為此,科研團隊從井下礦壓、覆巖運移、地表沉陷三個方面尋找突破點,發明大尺度“三位一體”原位實測成套技術,確立了大空間覆巖“懸臂梁+砌體梁+高位結構”,揭示了遠近場結構失穩的礦壓作用機理,為頂板防治提供了理論依據。
  此后,研究團隊進一步采用合理的治理手段進行攻關,總結出一套自己特有的方法,即避讓優先、卸支同步。
  如何進行避讓?主要應用跳采、小煤柱、無煤柱方法。“根據儲量、采掘銜接實現多層位、多盤區跳采,避免臨空布置工作面,有效避免采掘交鋒,實現源頭避壓。”時任同煤集團總工程師的鮑永生介紹道,“實施小煤柱開采,根據壓力分布將順槽留在卸壓區,從煤柱留設上減壓、讓壓,把順槽的集中壓力讓到工作面。在推廣應用小煤柱技術的基礎上,引進應用自動切頂成巷無煤柱開采技術,不留煤柱,切斷應力傳遞,實現真正避壓。”
  據了解,2019年同煤集團30座礦井33個工作面成功運用小煤柱開采技術,開采煤層從中厚煤層(2-3米)延伸到特厚煤層(18-23米),煤柱留設也由38米減小為6米甚至發展到無煤柱,全集團資源回收率平均提高3.6%,在提高煤炭資源回收率和礦井服務年限的同時,也為礦井安全高效生產提供了有力保障。

實施近場巖層定向預裂卸壓

  采取避壓措施后,工作面仍有壓力,怎么辦?同煤集團研究團隊給出了解決方案:必須進行近遠場關鍵層工程卸壓,實現分級預控。
  鮑永生介紹,傳統卸壓是人工聚能爆破,將頂板提前預裂,但受特厚煤層綜放開采強礦壓影響,人工聚能爆破不同地質條件爆破半徑大相徑庭,裂縫不能完全貫通,工作面頂板覆巖層自動垮落不完整時有發生,嚴重影響了采空區填充效果,只有開展精準定向預裂卸壓,才能解決這些問題。
  針對近場關鍵層,發明“深孔承壓爆破技術”專利技術,通過預設鉆孔內傳爆介質的壓力改變炸藥爆炸性能,提高炸藥爆炸能量利用率,配合使用60MPa特高壓水壓致裂技術及裝備,擴大水壓致裂應用范圍,減少基本頂初次垮落及周期來壓步距和強度;自主設計生產KLJ7型礦用智能鏈臂鋸切頂機,用于3-3.5米的中厚煤層無煤柱、小煤柱近場工作面切頂卸壓,以機械鏈臂代替爆破,實現裂縫貫通完全垮落。
  “2019年7月,KLJ7型礦用智能鏈臂鋸切頂機在井下累計切割36刀,切割長度160米,面積623平米。最大切縫深度達到6.6m,寬度42mm,試驗運行取得一次成功,推動了無煤柱工作面切頂工藝由人工爆破切頂向機械精準切頂轉變。”同煤集團綜采裝備安裝分公司總工程師王自衛說。
  2019年,研究團隊又將近場巖層切頂卸壓技術投向了復合射孔技術。
  “該理論最早是在石油天然氣領域運用的,后來潞安集團將其運用于增加煤層透氣性以及提高瓦斯抽采率上,我們受此啟發,結合巖層運動規律,將超深穿透射孔彈和射孔槍作為試驗器材,瓦斯抽采射孔管串激發點火后,在形成射孔孔道的同時,復合推進劑產生的高溫高壓氣體進步楔入增裂,形成孔縫融合的定向連續裂縫面,增加煤層的孔隙裂隙。”同煤集團同大科技院技術科紀潤清介紹道,“現在,我們正在同時進行不同地質環境下的現場試驗,建立相應的打鉆工藝、封孔工藝和施工安全措施。”

應用遠場堅硬頂板壓裂控制技術

  根據特厚煤層巖層運動規律,遠場關鍵層的破斷對于臨空巷道的變形有著巨大的影響,是造成臨空側巷道變形的主要原因。因此,只有遠場配合定向預裂卸壓,才能有效抑制特厚煤層堅硬頂板綜放開采條件下采場強礦壓顯現,并解決因頂板大面積破斷造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限的難題。
  為了獲得精準的理論數據,研究團隊做了大量的實驗研究。首先,建立彈塑本構模型和水壓裂縫面峰值剪切強度模型,揭示水力壓裂弱化堅硬頂板巖體強度的機理。其次,應用自主研發的深部煤巖工程多功能物理模擬實驗系統,開展大尺寸(1420×530×420mm)原巖試件真三軸水力壓裂試驗,獲得了水壓裂縫擴展規律及網絡裂縫分布特征。最后,通過分析回采參數、堅硬頂板層位對水壓裂縫擴展的動態影響規律,探明了壓裂時機、層位與采場空間的關系。
  此外,同煤集團還與西安通源石油公司合作,共同研發地面壓裂堅硬頂板控制采場礦壓的新方法,運用地面垂直井壓裂技術及水平井壓裂技術,利用壓裂液與砂巖發生化學反應,溶蝕孔隙內的礦物,降低裂縫面的巖體強度,改變遠場關鍵層的垮斷特性,從而減少遠場關鍵層破斷時的能量釋放、減小巖層活動范圍以及關鍵層結構失穩的壓力傳遞,弱化遠場高位巖層,根治強礦壓難題。
  “經過不斷研究,我們發現在預控技術體系中有個臨界層位,即處于該層位之下的巖層的破斷、運動才會對礦壓產生影響,選擇弱化的巖層必定位于該臨界層位之下的某一層或幾層關鍵層。因此,臨界層位的確定至關重要,今后將我們繼續在現場工程實施過程中,對比對哪一層關鍵層進行弱化處理,使弱化巖層層位的選擇更精準,弱化效果更好。”同煤集團同大科技院采礦研究所所長劉錦榮說。 (吳玲 洪浪 賈起巖)

 
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