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【长文综述】康红普院士:无煤柱开采围岩控制技术及应用

2022-01-19

  煤柱是井工煤矿开采过程中,为保证煤炭生产与安全而保留的、暂时或永久不开采的煤体。煤柱类型包括地面建筑物保护煤柱,隔离煤柱,护巷煤柱等。

  

  无煤柱开采是通过合理的开拓部署、采煤工作面和巷道布置及采掘顺序,取消护巷煤柱的采煤方法。其具有消除应力集中、降低动力灾害、减少巷道掘进量、减少煤炭损失、改善采煤工作面通风等诸多优点。经过60多年的研究与试验,我国无煤柱开采方法及围岩控制技术取得长足发展。

  

  近日,受《煤炭学报》编辑部邀约,康红普院士撰写长文综述《无煤柱开采围岩控制技术及应用》(点击下载全文),并于1月14日网络首发。研究综合分析了沿空留巷、沿空掘巷、跨巷开采及采空区布置巷道等无煤柱开采方法及适用条件、围岩控制取得的研究成果。

  

  在沿空留巷方面的主要内容为:不同开采系统的沿空留巷类型、围岩变形与破坏特征;沿空留巷结构力学模型及围岩与支护作用关系;沿空留巷巷内基本支护、巷内加强支护、巷旁支护形式及支护性能;爆破与水力压裂围岩卸压机理及技术;沿空留巷断面优化及维护时间控制;沿空留巷支护设计原则及沿空留巷安全技术。

  

  在沿空掘巷方面,论述了沿空掘巷的类型及小煤柱尺寸设计方法,分析沿空掘巷围岩结构特征、围岩变形的主要影响因素及沿空掘巷围岩控制技术。

  

  研究介绍了跨巷无煤柱开采的类型,分析巷道与采煤工作面底板的垂直距离、工作面边界至巷道的水平距离等参数对跨采巷道围岩变形的影响。

  

  论述了在采空区布置巷道的方式:在采空区形成巷道和掘进巷道,分析采空区巷道的应力环境及施工存在的难点。

  

  中煤科工开采研究院有限公司(原煤炭科学研究总院北京开采研究所)长期从事无煤柱开采围岩控制技术研究与推广应用工作。近年来开发出支卸组合泵充混凝土支柱沿空留巷围岩控制成套技术、泵充混凝土墙与卸压联合围岩控制技术,在陕西、山西、内蒙等省区得到推广应用,取得良好效果。

  

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  陕西何家塔煤矿沿空留巷布置图

  

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  何家塔煤矿沿空留巷支护方案

  

  研究详细介绍了陕西何家塔煤矿支卸组合泵充混凝土支柱沿空留巷、山西野川煤矿泵充钢筋混凝土墙与水平长钻孔水力压裂卸压沿空留巷围岩控制两个应用实例,分析沿空留巷围岩变形控制效果。

  

  为了进一步做好无煤柱开采围岩控制技术研究、试验工作,继续扩大无煤柱开采的应用范围,研究人员最后提出以下建议与发展方向。

  

  (1) 加强无煤柱开采巷道布置、开采顺序优化研究,结合不同的开采系统与工艺,确定合理的巷道掘进、留巷时空方案。在条件适宜、不违反煤矿安全规程的条件下,作为后退式开采的补充,可局部应用前进式开采沿空留巷技术,以发挥前进式开采系统的优势。

  

  (2) 加强大采高、综放开采等高强度开采条件下无煤柱开采的适应性研究;加强复杂困难条件沿空留巷、沿空掘巷围岩变形与破坏机理研究,提出更合理的围岩结构力学模型;深化对围岩与支护相互作用关系的研究,提出更可靠的支护阻力估算方法。

  

  (3) 预应力高强度锚杆锚索支护已成为沿空巷道的基本支护方式,锚索成为巷道补强的有效手段。应开发适合大变形、有动力灾害沿空巷道的超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆锚索材料,提高围岩大变形控制效果,保证巷道安全。继续开发性能更优越的沿空留巷加强支护形式,不仅提高支护效果,同时能实现快速移动。

  

  (4) 巷旁支护是沿空留巷的关键技术。应继续研究适合不同地质条件的巷旁支护形式,开发性能优越、成本低的充填材料,进一步优化巷旁支护参数,提高早期承载能力、保证长期承载能力、满足所需的变形能力。

  

  (5) 加强沿空留巷巷内基本支护、加强支护及巷旁支护在支护强度、刚度及变形能力等方面的匹配性研究,充分发挥三种支护在时间与空间上的支护优势,通过三者协同支护,有效控制沿空留巷围岩变形与破坏。

  

  (6) 沿空巷道卸压机理、支卸协同作用原理与技术还需要深入研究。研究各种卸压方法的适应性,水力压裂裂缝开启、扩展规律及主要影响因素,建立煤岩体裂缝扩展准则,进一步提高水力压裂卸压方案与参数设计的合理性。开发井下水力压裂裂缝扩展方向、路径、开度等裂缝参数的监测仪器与技术,准确评价水力压裂卸压效果。

  

  (7) 目前沿空留巷、沿空掘巷的施工速度还比较低,不能满足采煤工作面快速推进的要求。应研究沿空巷道快速施工工艺与装备,提高施工速度,满足采煤对掘进与留巷的要求。

  

  (8) 随着煤矿数字化、信息化、智能化建设的快速发展,应研发无煤柱开采围岩控制的自动化、智能化施工技术、装备及智能控制系统,在显著提高施工速度和效率的同时,大幅度减少现场作业人员,实现少人化,进一步改善井下作业环境与安全程度。

  

  这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的资金支持。

  

引用格式:康红普,张晓,王东攀,田锦州,伊钟玉,蒋威.无煤柱开采围岩控制技术及应用[J/OL].煤炭学报:1-30[2022-01-14].DOI:10.13225/j.cnki.jccs.YG21.1940.


拓展阅读:

康红普:掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径

康红普:煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术

康红普:煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术

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  责任编辑:宫在芹
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