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1、中国煤炭工业协会科学技术奖申报书（2011 年度）一、项目基本情况奖 种 科技进步奖 登记序号 编号中文 特深矿井采区优化布置与高应力围岩控制技术研究与应用项 目名 称 英文 Research and Application of Optimal Layout of District and High-stress Surrounding Rock Control Technology of Extra-deep Mine主要完成人 莫 技 孙春江 邸建友 杜计平 聂 翊 张传恕 赵 强 田昌栋 巩庆刚 隋 寒 郑江波 王 涛 张 新 孙焕磊 马翠力主要完成单位 新汶矿业集团有限责任公司孙村煤
2、矿 中国矿业大学申报奖励等级 一等奖申报单位意见(盖 章) 项 目 可否 公 布 可主 题 词 特深矿井；1300 米；采区优化布置；回采巷道围岩控制；冲击地压 防治专业一级分 类 采矿工程专业二级分 类 煤矿开采技术任务来源A.国家计划 B.部 、委 C.省、市、自治区 D.基金资助 E.国际合作 F.其它单位委托 G.自选 H.非职务 I.其它计划(基金)名称和编号 企业项目起止时间 起始： 2008 年 10 月 完成：2010 年 12 月姓 名 隋寒 电子邮件 S邮 编 271219 通信地址 山东省新泰市新汶办事处 孙村煤矿申报单位 联系人办公电话 0538-7836150 移动电
3、话 13953861787二、项目简介项目所属科学技术领域、主要内容、特点及应用推广情况：科学技术领域：本项目属煤矿地下开采科学技术领域：项目特点：孙村煤矿 2008 年已延深至垂深达 1300m 的-1100m 开采水平，2010年 10 月正在掘进的三采区下山垂深已达 1400m，正在生产的综采工作面运输平巷的垂深已达 1336m，该矿已成为特深矿井和我国及亚洲最深的矿井。深部实测最大水平主应力为 31.0231.27 MPa，高应力对首采煤层中的回采巷道维护和冲击地压发生影响很大。孙村-1100m 水平开采的技术难题是：采掘接替紧张、准备工程时间长、工作面搬家频繁、掘进率居高不下。首采煤
4、层中的回采巷道围岩控制的问题十分突出。冲击地压发生的危险明显增加。主要内容：基于孙村煤矿深部开采的地质条件，应用采矿系统工程优化原理、围岩矿压控制原理、释放围岩应力及降低煤岩冲击倾向性原理，研究了-1100m 开采水平采区优化布置及工作面参数合理选择、深部回采巷道围岩控制技术和冲击地压防治技术。取得的创新性成果是：1）在提高回采巷道支护技术水平、单巷掘进通风能力和综采工作面过断层能力的基础上，通过对-1100m 水平采区优化布置和工作面参数合理选择，采区走向长度成倍增加，工作面连续推进长度、工作面长度都得到加大，下山阶段工作面推进长度最大达到 2300 m 以上；利用落差 110m 以上的大断
5、层，实现了井田西翼相邻前后组煤层上下山采区跨断层联合优化布置；采煤工作面长度加大至 190m 及以上；掘进率明显降低；构建了特深矿井构造复杂条件下与综采工艺相适应的采区优化布置与工作面参数合理选择模式。2）形成了特深矿井高应力条件下回采巷道布置、断面设计、锚网带索构件力学性能合理配套、锚杆支护施工质量监测及管理的综合围岩控制技术及以提高锚杆预紧力、强度、构件合理配套的关键技术。采用了高强让压预应力锚杆，破断载荷在 237 kN 及以上，配可缩量为 40mm 的让压管，锚杆按装扭矩达到 400Nm 以上。深部回采巷道围岩得到有效的控制，并得出顶板锚杆安装扭矩与安装预紧力的相关关系。3）形成了特深
6、矿井高应力条件下由根本措施、监测措施、解危措施、防护措施和管理措施等冲击地压综合防治配套技术。实施了合理开采部署、煤层注水和上行开采顺序开采解放层等防治冲击地压的根本措施；在冲击地压危险区域及程度动态划分的基础上，圈定出重点防治及监测区域，采用了以钻屑法为主的日常监测和预报方法；通过宽巷掘进、回采巷道高强让压锚杆锚网带索支护，严格两巷超前支护距离和躲炮距离，形成了防治冲击地压的防护技术措施。2002 年以来没有出现较明显的冲击地压现象。4）特深矿井采区优化布置与高应力围岩控制技术全部实施后，可新增利润19200 万元，节支 1836 万元的直接经济效益。应用推广情况：研究成果已在孙村煤矿全部应
7、用，研究成果的主要部分，如采区优化布置及工作面参数合理选择、深井回采巷道围岩控制技术、深井冲击地压防治综合配套技术已在新汶集团公司的深矿井中推广，全国每年都有约 100 多家煤矿企业到矿学习深井开采的经验和井下参观，内容涉及巷道布置、开采部署、矿压控制、支护技术、安全生产及管理。 (要求 1500 个汉字 )三、项目详细内容1、立项背景我国煤矿的平均采深年增加 812m,东部矿区较早地进入深部开采，一此目前在浅部的矿井最终将要进入深部开采。西德把 8001200m 界定为深部开采，把 1200m 后界定为超深开采。 中国煤矿开拓系统把 8001200m 界定为深矿井，把大于等于 1200m 界
8、定为特深矿井。2008 年新汶矿区孙村煤矿-1100m 开采水平垂深已达 1300m，是目前我国和亚洲最深的矿井，也是特深或超深矿井，面临问题极为严峻，迫切需要解决深井高应力及构造复杂条件下的采掘接替紧张、巷道掘进率居高不下、综采工作面搬家频繁、回采巷道变形破坏严重、冲击地压发生的危险和防治的难度加大等问题，本项目就是在这种条件下提出来的。国际上，德国率先进入深部开采，随着经济结构调整和政府补贴逐年减少，德国逐渐关闭矿井，2007 年仅存煤矿 7 处。为适应市场经济的需要，俄罗斯大量关闭了严重亏损、扭亏无望的矿井，特别是深矿井，2006 年前后剩余的井工矿只有 110 处。在国外回采巷道支护中
9、，除美国、英国、澳大利亚等国普遍采用锚杆支护，并配合其他支护措施外，德国、波兰和独联体等国家更多地采用了费用昂贵的强力 U 型钢可缩支架支护。在一般埋深条件下，国内外煤矿在防治冲击地压方面开展过较多的研究，取得了较多的经验。国内外类似孙村煤矿这种特深矿井为数极少，在采区优化布置、回采巷道矿压控制、冲击地压防治等方面无经验可借鉴。(不超过 800 个汉字)2、详细科学技术内容（评审的主要依据，应将鉴定研究报告浓缩提炼后的所有技术内容编入）2.1 -1100m 开采水平采区优化布置及工作面参数合理选择本创新部分属煤矿开采技术学科领域，总体思路和技术路线如图 1 所示。基于采矿系统工程优化原理，比较
10、巷道工程量和维护量、采掘接替程度、采区车场布置的可能、生产集中程度、装备能力和技术经济效果，依托综采工作面过断层能力提高（落差 6m及以下的断层工作面全过）、回采巷道单巷掘进通风能力提高（双对旋轴流式通风机通风距离达到了 2800m）及回采巷道围岩控制技术进步，充分利用地质构造，在构造复杂、埋深 1300m以上、井田走向长度增加至近 9200m 的条件下，将全井田优化为三个采区，与-600m 水平井田走向长度 5000 m 划分为 6 个采区相比，-1100m 水平采区走向长度、储量和服务年限成倍增加，实现了采区大型化；减少了开拓和准备巷道的掘进和维护工程量，破解了矿井准备和生产接续紧张的难题
11、；克服了因工作面走向长度短、储量少、工作面搬家接续频繁、不利于组织生产等严重制约矿井正常生产的困难。构建了特深矿井采区优化布置和工作面参数合理选择模式。图 1 -1100m 水平采区优化布置及工作面参数合理选择总体思路和技术路线1）如图 2 所示，将井田东翼扩大区原两个采区合并为一个采区，从而减少了一组采区上山和下山生产系统，上山阶段单翼布置，使煤流没有折返运输，工作面推进长度加大到1500m。下山阶段工作面推进长度达到 2300 m 以上。 图 2 -1100m 水平扩大区采区优化布置后已实施的方案2）如图 3 所示，充分利用落差 110m 以上的大断层，将井田西翼相邻的前后组煤层上下山采区
12、跨断层联合优化布置，实现了前组煤层下山三采区共用后组煤层上山三采区下部车场的工程及生产系统，减少了 1100m 巷道的掘进工程及维护工程，工作面连续推进长度增加到 1500m以上。图 3 -1100m 水平西翼相邻前后组煤层上下山采区跨断层联合布置3）回采巷道全部留 35 煤柱沿空掘巷，采煤工作面长度加大至 190m，使综采工作面的储量和生产能力明显加大。2.2 特深矿井高应力条件下回采巷道围岩控制技术本创新部分属矿山压力与支护学科领域，总体思路和技术路线如图 4 所示。图 4 特深矿井高应力条件下回采巷道围岩控制技术总体思路和技术路线1）用应力解除法测试了深部地应力，最大水平主应力为 31.
13、0231.27 MPa，已达到很高的应力，对巷道维护和冲击地压发生影响很大。2）在巷道围岩控制机理分析方面，提出锚杆对巷道围岩控制的本质是对围岩提供了托锚力、粘锚力和切向锚固力，特别是早期就提供这些力。在分析（1）式（预应力锚杆支护荷载相关关系）的基础上，提出深部高应力条件下回采巷道锚杆支护原则，并加以应用：为提高锚杆工作阶段的托锚力，必须提高按装时的预紧力，减小锚杆的间排距，增加锚杆的刚度，提高锚杆的强度，使锚杆工作期间不被拉断，且要与托盘、粘接剂很好的配合，使之不失效。3）锚杆支护系统配套方面，如图 5图 8 所示，深部回采巷道采用了高强让压锚网带索支护系统，顶板中部采用直径 20mm2m
14、 的高强预应力让压锚杆，肩角处长度由 2m 加长到2.2m, 破断载荷在 210 kN 以上，配 15015010mm 的托板和可缩量为 40mm 的让压管。两帮采用直径 20mm2m、破断载荷大于 156kN 的等强锚杆，W 型钢托板和球形托板配合使用。图 5 高强预应力让压锚杆支护的回采巷道 图 6 高强预应力锚杆图 7 锚杆外露端构件及 D40-20 型让压管 图 8 高强预应力锚杆配套托板4）锚杆支护施工及要求方面，综合考虑力学模拟、井下试验结果、锚杆安装机具及施工的难易程度，确定锚杆按装时的扭矩不小于 400Nm，预紧力不小于 50kN。通过锚杆机上紧螺母时不施加向上推力、检查树脂阻
15、尼和减摩垫圈是否脱落和溶化、风动扭矩扳手（图 9）进一步上紧螺母、专人检测（图 10）等 4 项技术措施，保证了锚杆安装时的预紧力。 图 9 风动扳手 图 10 当班扭矩检测5）锚杆支护系统及构件配合试验方面，高强锚杆的破断力达到 237kN 及以上，与之配合的托板承载力达到 219 kN 及以上，均超过要求的技术指标，且能很好的配合。井下顶板锚杆拉拔力上升到 17t 和 21t 时，端部位移仍呈线性增长，达到 22t 时端部的最大位移为4.01mm，位移量很小；在最大载荷作用下锚杆系统没有发生任何破坏，杆体、托盘、螺纹、螺母、树脂锚固剂的力学性能配合完好。6）实测得出顶板锚杆安装扭矩（x）与
16、安装预紧力（y）的关系如（2）式：y = 0.0234x2 + 7.9255x - 60.715 （2）7）通过选择高强预应力让压锚杆，合理配套锚杆支护系统和构件，加长锚杆长度，提高锚杆安装时的预紧力和扭矩，注重巷道肩角和底角处的支护，采用弧形断面，根据岩性调整间排距，采用与之配套的综掘工艺和沿空掘巷技术，相继掘进了-1100m 水平的2423、3223、3424、3423 等综采面的回采巷道,取得了很好的工业试验及围岩控制效果，2010年 10 月正掘的煤巷垂深已达 1400m，正在生产的综采面运输平巷的垂深已达 1336m。2.3 特深矿井深部高应力条件下冲击地压防治技术本创新部分属矿山压力工程学科领域，总体思路和技术路线如图 11 所示。图 11
