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1、江苏省科学技术奖推荐书（2013年度）一、 项目基本情况专业评审组：六、资源与环境 成果类别：应用类科技成果 编号：项目名称深井煤层群连续卸压开采关键技术及应用完成人张农,阚甲广,赵一鸣,韩昌良,李桂臣,郑西贵,吴海,季明完成单位中国矿业大学推荐单位（盖章）或推荐专家（盖章）1矿山工程技术代码4402采矿工程代码440.35学科分类名 称3煤矿开采代码440.3510所属国民经济行业采矿业任 务 来 源国家计划：国家科技支撑计划 国家计划：973计划 部委计划具体计划、基金的名称和编号：“十一五“国家科技支撑计划,深井开采围岩动力灾害监测与控制关键技术研究（2007BAK28B04）973计划
2、，深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论(2011CB)教育部“和创新团队发展计划”创新团队，深井煤与瓦斯共采理论与实践（IRT1084）授权发明专利（项） 9授权的其他知识产权（项）0项目起止时间起始：2007 年 01 月 01 日 完成：2010 年 12 月 31 日 二、项 目 简 介（限1200字）本项目属煤矿采矿工程科学技术领域。我国大多数矿区含煤地层为煤层群赋存条件，长期以来形成的煤层群下行开采、本煤层内留煤柱跳采模式进入深部后，实施困难、安全保障度低，已成为我国煤矿普遍存在的重大难题，本项目依托“十一五“国家科技支撑计划、973计划和教育部“和创新团队发展计划”创新团队，围绕煤层群卸
3、压开采模式、采动顶板安全控制、留巷围岩稳定性、钻孔法煤与瓦斯共采及实时在线监测监控问题开展研究，形成了如下研究成果：1、创新了煤矿井工开拓开采模式：对煤层群进行安全开采评估，选择安全条件好（瓦斯低、顶板条件好、无突水危险）的煤层首先开采，通过沿空留巷技术实现本煤层连续开采和上下煤层充分、连续卸压，采用留巷钻孔法抽采上下煤层卸压瓦斯，达到无煤柱连续开采和煤与瓦斯协调共采目标。2、构建了深井煤层群连续卸压开采的理论体系：系统研究了上行卸压开采采动应力的动态分布规律及岩层破坏规律，揭示了岩层活动的阶段性、应力分布的分区性及岩层裂隙发育过程的时空演化规律，为煤层群连续卸压开采奠定了理论基础。3、解决了
4、强采动条件顶板安全控制技术难题：揭示了煤巷顶板破坏与垮冒失稳规律，提出了构建楔形加固区的顶板整体控制原理，形成了强采动条件顶板安全控制关键技术。4、形成了深井无煤柱沿空留巷围岩控制技术：建立了沿空留巷内外层围岩结构模型，提出了沿空留巷应力场优化原理，创新了“三位一体”无煤柱沿空留巷围岩控制原理和技术。5、提出了钻孔法煤与瓦斯协调开采方法：揭示了煤层群首采层开采后形成的采场应力分布特征，发现了采空侧顶板存在偏向采空区的楔形竖向裂隙发育区，进而形成留巷钻孔法煤与瓦斯共采方法，替代了“专用岩巷+钻孔法”抽采瓦斯。6、建立了基于光纤光栅传感技术的煤矿巷道围岩实时监测预警系统：研制了光纤光栅顶板离层仪等
5、多种传感监测仪器，开发了煤矿巷道围岩实时监测软件，实现了矿压监测的实时在线监控和灾害预警。项目创新研究了煤矿井工开拓开采模式，构建了深部煤层群连续卸压开采理论及煤与瓦斯协调共采方法，形成了强采动条件巷道顶板安全控制、无煤柱沿空留巷结构稳定性控制、钻孔法煤与瓦斯协调共采、基于光纤光栅传感的煤矿巷道围岩实时监测等四项关键技术，改变了我国传统煤层群开拓开采模式。本项目获得国家授权专利22项(发明专利9项)，培养博士6名、硕士18名，发表论文20余篇，其中被SCI和EI收录17篇。创造了留巷深度、无煤柱煤与瓦斯共采工作面月产量等国内外煤矿开采纪录，具有明显经济和技术优势，成果在淮南、淮北等10多个矿区
6、得到推广应用，取得了显著的社会、经济效益。成果整体达到国际领先水平。三、主要科技创新（限5页）我国大多数矿区含煤地层为煤层群赋存，传统的煤层群之间顺序下行开采、本煤层内留煤柱跳采的开采模式，随着开采深度的增加，面临重大挑战，深部煤层群开采时，第一层煤即可能是高瓦斯、突出、冲击或突水煤层，易发生瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、冲击矿压等事故，开采安全没有保障。煤层群上行开采、本煤层内留煤柱跳采的开采方式，随着开采深度的增加，留设煤柱宽度越来越大，造成资源的极大浪费；跳采形成孤岛工作面，地压大，巷道难以维护；跳采在上下煤层形成应力集中，诱发动力灾害和突出；上下煤层开拓开采分散，集约度低，系统复杂，成本高。
7、因此，煤层群上行开采、留煤柱跳采方式不可持续。针对传统煤层群开采模式存在的种种问题，项目依托“十一五“国家科技支撑计划（2007BAK28B04）、973计划 (2011CB)和教育部“和创新团队发展计划”创新团队（IRT1084），形成了深井煤层群上行连续卸压开采模式及技术体系，该方法通过优化开采顺序、突破强采动巷道支护技术，解决了高应力、高瓦斯煤层群开采的重大技术难题，其难点在于强采动巷道顶板安全控制和无煤柱沿空留巷围岩稳定性控制，其关键在于煤与瓦斯共采方法，其手段在于实时在线监测监控，围绕以上问题开展了系统研究，形成如下创新成果。 1、形成了深井煤层群连续卸压开采创新思想，构建了煤层群连
8、续卸压开采理论学科分类：矿山工程技术，采矿工程。支撑材料：鉴定证书：皖科鉴字2012第133号；专著：泥质巷道围岩控制理论与实践；论文7篇：论文第1-7篇。对煤层群进行安全开采评估，选择安全条件好（瓦斯低、顶板条件好、无突水危险）的煤层首先开采，通过沿空留巷技术实现本煤层连续开采和上下煤层充分、连续卸压，采用留巷钻孔法抽采上下煤层卸压瓦斯，达到无煤柱连续开采和煤与瓦斯协调共采目标。系统研究了上行卸压开采采动应力的动态分布规律及岩层破坏规律，揭示了岩层活动的阶段性和应力分布的分区性。第一阶段为活动剧烈期，以裂隙带内岩层活动为主；第二阶段为活动缓和期，以弯曲下沉带内岩层活动为主；裂 隙 闭 合 区
9、卸 压 裂 隙 发 育 区弯曲下沉带8煤10煤钻孔冒落带10煤卸 压 裂 隙 渐 逝 区裂隙带裂 隙孕 育 区图1 钻孔轴向裂隙分区之后为岩层活动稳定期。巷道变形受采动影响呈阶段性滞后响应特征。采用长度100 m超远距离钻孔裂隙窥视、137 m深孔位移监测和受采动巷道围岩收敛观测等综合研究手段，长期跟踪窥视顶板覆岩裂隙发展及巷道稳定过程，揭示了上行卸压开采上覆岩层裂隙发育过程的时空演化规律，开展了上行开采顶板岩层区划研究，得到不同区域顶板巷道破坏及其稳定性特征。2、揭示了煤巷顶板破坏与垮冒失稳规律，提出了构建楔形加固区的顶板整体控制原理，形成了强采动条件顶板安全控制关键技术学科分类：矿山工程技
10、术，井巷工程。支撑材料：鉴定证书：皖科鉴字2010第458号；专利9项：ZL 6.7，ZL2.5，ZL3.0，ZL0.3，ZL7.1，ZL8.6，ZL2007 .0，ZL2007 .5，ZL2007 .1；论文8篇：论文第8-15篇。背景和难题：煤巷顶板多由分层性强、层厚薄、层间粘结力小的复合岩层组成，并受到一次或多次采动支承应力作用（采动支承应力通常是原岩应力的38倍），在采动高应力作用下，巷道围岩出现大范围岩体破裂，传统架棚支护难以适应高应力、强采动要求，普通锚杆支护巷道常出现顶板垮冒、支护结构失稳等问题，导致巨大的经济损失，严重威胁矿井安全生产。关键技术：（1）分析了薄层复合顶板巷道两种
11、失稳形式，建立了巷道顶板失稳模型及稳定判别准则。顶板发生剪切破坏准则判别式为：（1）cos2sin2tan11 NDsnNWcTTSC 式中，为顶板锚固后的等效内摩擦角，sc为锚杆排距，N1为顶角锚杆处于冒落范围以外的锚固力，为顶角锚杆的安装角，为潜在冒落范围以内最大水平力T的稳定值，nT为侧向荷载深度比的稳定值。max1顶板岩石发生压缩破坏时，满足：（2）Tcm mK* 3式中，为锚固体的单向抗压残余强度，为锚杆轴向方向的等效应力。* cm 3（2）研究了不同软弱夹层层位条件下顶板的采动失稳特征和破坏形式采用物理模拟方法，研究了软弱夹层位于锚杆锚固区内、锚杆锚固区边缘及锚固区外三种条件下，动
12、压影响下巷道顶板失稳特征、破坏形式及应力分布规律。研究结果表明：当围岩应力达到原岩应力23倍时，软弱夹层位于锚杆锚固区内巷道下沉和片帮明显，但未失稳垮冒；软弱夹层位于锚杆锚固区边缘巷道两帮变形和底鼓严重，应力继续增高时，巷道很快失稳垮冒，且锚杆被拉断；软弱夹层位于锚杆锚固区外时，软弱夹层离层明显，应力持续增高时巷道变形严重，直接顶很快失稳垮冒，较多锚杆被拉断。软弱夹层位于锚杆锚固区边缘巷道最易失稳垮冒。（3）提出构建楔形加固区的顶板整体控制原理，形成强采动条件顶板安全控制关键技术提出在层状顶板中构建下沉变形时能够自稳的楔形加固区顶板整体控制原理。利用帮角一定深度内岩体的相对稳定性，将相应的巷道
13、两顶角作为内锚固点，通过锁紧结构实现钢绞线的预张对拉，形成顶板整体楔形加固区，防止了顶板离层垮冒；也可锚固于煤帮顶底两对角，控制帮部大变形和整体内移。 图2 顶板楔形整体加固原理3、建立沿空留巷内外层围岩结构模型，创新“三位一体”无煤柱沿空留巷围岩控制原理和技术学科分类：矿山工程技术，井巷工程。支撑材料：鉴定证书：皖科鉴字2012第494号，晋科鉴字2012第367号；专利6项：ZL 0.7，ZL 9.4，ZL 6.0，ZL 6.5，ZL7.X，ZL2.4；论文3篇：论文第16-18篇。背景和难题：随采深加大，留煤柱的开采方式受到挑战，不断加大的煤柱尺寸一方面造成资源浪费，另一方面煤柱产生应力
14、集中易诱冲击矿压、煤与瓦斯突出等动力灾害，因此无煤柱沿空留巷是煤矿开采的一次重大变革，是深井煤炭开采的方向，而取消煤柱的连续开采模式依赖于沿空留巷围岩结构控制理论的突破和技术创新。 关键技术：（1）建立沿空留巷内外层结构模型通过大量实测和采场岩层移动物理模拟及理论分析，建立沿空留巷内外层结构模型：随工作面推进，采空区侧向悬露的基本顶关键块体出现断裂、回转、下沉，接触矸石后形成具有自稳性能的外层岩体结构，但稳定时间很长，并有一个强采动应力调整期，这一特点决定了沿空留巷支护的外部条件和应力环境；由巷内支护及巷旁充填墙体构成沿空留巷内层支护结构，在外层岩体运动和采动应力调整期内遭受严重破坏，通常不能
15、自稳。 图3 沿空留巷内外层结构模型 （2）沿空留巷区域应力场优化在适宜的时间，以合适的方式，在顶板关键位置预裂，调整其破断形式，优化其结构状态，加快顶板破断、回转速度，缩短采动应力作用时间，降低支承应力集中程度，实现留巷区域应力场分布的优化；缩短顶板岩层的运动周期、减少采动对留巷的作用时间，为沿空留巷无煤柱连续开采创造有利的应力环境。（3）“三位一体”沿空留巷围岩控制原理和技术形成巷道组合锚杆支护、巷旁充填墙体、巷内辅助加强支架“三位一体”的沿空留巷围岩整体支护原理和一套新型“三高”锚杆支护及自移式主动强力控顶支架辅助补强的留巷支护技术体系，采用超高强度、高预紧力、高系统刚度为核心的“三高”
16、锚杆支护技术，选择超强杆体、高刚度护网、超大托盘、超强大扭矩阻尼螺母，实施大扭矩高预应力，维持锚杆的荷载，提升主动承载能力，并向围岩扩散，形成高强主动高阻稳定的锚杆支护围岩承载结构，控制变形效果十分显著。突破了德国留巷只能采用U型钢壁后充填的高成本留巷支护模式。4、钻孔法煤与瓦斯协调开采技术学科分类：矿山工程技术，采矿工程。支撑材料：鉴定证书：中煤科鉴字2010第AQ30号，晋科鉴字2012第063号；专利2项：ZL .X，ZL 3；论文2篇：论文第19-20篇。背景和难题：我国煤矿70%以上为高瓦斯矿井，且大多数矿区煤层具有高瓦斯、低透气性、高吸附性的特点，瓦斯治理难度大。我国广泛应用的“专用岩巷+钻孔法”抽采卸压瓦
