煤矿高效采掘与岩层控制技术装备新进展

康红普

(1.中煤科工开采研究院有限公司, 北京 100013;2.煤炭科学研究总院开采研究分院, 北京 100013;3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室, 北京 100013)

1 千万吨级采煤工作面综采技术装备

晋陕蒙宁甘新地区是我国煤炭保供的主力,且我国现有的千万吨矿井94%分布在西部。榆神矿区资源探明储量为480亿t,6～10 m厚煤炭资源约占总储量的50%,目前主要采用分层和综放开采,存在回收率低、安全、技术、经济等多方面问题,因此必须攻关超大采高综采关键技术与装备。实现千万吨级采煤工作面的安全高效开采,需面临的主要技术难点有:①超大采出空间工作面顶板及煤壁围岩稳定性控制技术;②超大采高综采成套装备及可靠性;③工作面水害防治与控水安全开采技术。为更好地实现千万吨级采煤工作面综采技术装备的研发,以工作面与巷道围岩控制、工作面开采工艺与成套装备、安全保障技术为核心,开展10 m超大采高综采理论、技术、工艺和装备攻关,以“三高(超大采高、高水平制造、高智能化程度)”支撑“三高(高产量、高效益、高回收率)”。

1)关键技术一:超大采高工作面支架-围岩稳定性控制关键技术。研究了超大采高工作面采动应力三维分布规律,揭示了超大采高工作面采动裂隙扩展演化规律,阐明了煤体力学结构特征与采动应力耦合作用下超大采高煤壁稳定性及片帮机理,确定了液压支架合理的支护强度和工作阻力。

2)关键技术二:超大采高工作面水平孔区域水力压裂技术。对于工作面煤层上方有多层厚硬顶板,悬顶长度大,易造成强矿压和支架损坏的情况,提出了采用区域水力压裂改造顶板的方法,研发了井下高压、大流量压裂设备与监测系统,使厚硬顶板易垮落,降低了强矿压,实现了支卸组合控顶控帮。

3)关键技术三:超大采高综采复合水体下控水开采技术。采高增加会引起煤层覆岩破坏高度增大,导致裂隙带发育高度与导水通道连通的可能性增强,造成回采工作面水害风险加大,因此研究了工作面覆岩的破坏特征,分析了导水裂缝带预计高度与实际隔水层厚度的关系,评估了工作面上覆主要充水含水层对工作面开采的威胁。

4)关键技术四:10 m超大采高开采成套装备。①液压支架:研发了采用双层伸缩梁+三机护帮板结构形式的超大采高液压支架,设计了Φ630 mm超大缸径的抗冲击立柱新型结构,提出了超大采高液压支架单架及群组稳定性控制技术,研究了超大体量高效液压系统,实现了全动态应力精确测试及耐久性能评估;②采煤机:研究了10 m超大采高采煤机整机方案,研发了重型采煤机200 t级行走系统,设计了轻重化长寿命超大直径滚筒;③刮板输送机:设计了新型高强度中部槽帮,研发了大节距牵引系统和智能控制及健康管理系统;④智能控制系统:研发了工作面装备智能控制系统、非接触式煤流智能监测及控制系统、集成供液供电系统控制技术,提出了液压支架综合工况实时监控技术和工作面装备生命周期故障预判技术。

应用效果:陕煤曹家滩矿2-2煤层,可采厚度平均10.2 m,目前主要采用7 m超大采高分层开采和6 m超大采高综放开采两种方式。2020年陕煤集团与中国煤炭科工集团联合开展曹家滩煤矿10 m超大采高综采关键技术与装备攻关,研发千万吨级采煤工作面综采技术装备,目前千万吨级综采工作面成套技术装备已成功应用于曹家滩矿,应用效果良好。

2 千米深井围岩控制及开采技术装备

我国深部煤炭资源的开发势在必行,深部煤炭安全高效开采技术必须攻克。我国许多矿井开采深度超过1 000 m,最深1 510 m。深部煤炭资源安全高效开采的突出难题有:①开采深度大,地应力高,构造应力复杂;②受强采动影响,采动应力高;③软煤岩大变形,围岩变形可达1～2 m,底鼓剧烈,冒顶片帮,支护体被破坏;④较硬煤岩的冲击地压,煤岩体突然释放变形能,瞬间抛出,易造成设备损坏、人员伤亡。因此,千米深井安全高效开采必须解决岩层控制难题。

1)巷道支护-改性-卸压时空协同控制原理。由于传统的单一支护很难控制深部巷道大变形,提出了支护-改性-卸压协同控制技术。首先采用锚杆锚索高预应力主动支护围岩,然后采用超前高压劈裂注浆主动改性围岩,提高巷道围岩强度、锚固力和完整性,围岩支护及改性后选择合理层位,在工作面采动应力升高前进行围岩压裂卸压,减小侧方悬顶和采空区后方悬顶,降低应力集中程度。①高预应力锚杆与锚索主动支护。研发了高强度、高延伸率和高冲击韧性锚杆,提高了锚杆的抗拉、抗剪性能,充分调动了围岩的自承载能力。②高压劈裂注浆主动改性。采用“组分优化+超细化+纳米增强+有机改性”多技术协同,研发了高渗透、高强度、高黏结微纳米无机有机复合注浆材料。该材料由黄料和白料两种材料组成,具有高早强、高可注、高黏结、低成本的“三高一低”特性,注浆时采用1∶1等体积混合压注,粒径(D95)小于8.8 μm,2 h后抗压强度大于10 MPa,拉伸黏结强度大于3 MPa,浆液能渗透进煤岩微裂隙。③水力压裂主动卸压。工作面回采前选择合理层位进行围岩水力压裂主动卸压,减小侧方悬顶和采空区后方悬顶,产生新裂隙,激活原生裂隙,降低工作面采动应力值。

应用效果:中煤新集口孜东矿,典型千米深井软岩矿井,埋深1 000 m,煤层强度10 MPa,顶底板均以泥岩、砂质泥岩等软岩为主,巷道原支护采用锚网索+喷浆+滞后注浆联合控制方案,围岩产生大变形,巷帮整体移进和剧烈底鼓。采用巷道支护-改性-卸压时空协同控制方法后,工作面回采期间,原支护顶板下沉247 mm,新支护顶板下沉62 mm,减小74.9%,原支护两帮移进3 529 mm,新支护两帮移近962 mm,锚杆、锚索破断率减少90%,综合经济成本降低23.3%。

2)千米深井超长工作面岩层控制与高效开采。①研究了采动应力三峰值空间分布与分区破断特征。千米深井软岩、超长工作面采动应力空间分布呈“三峰”形态,常规面呈“单峰”形态,超长工作面在走向和倾向上均存在分区破断,工作面中部先来压,强度中等,时间较短,然后向两端持续来压,强度较大,时间较长。②分析了超长工作面顶板分区破断理论依据。得出了基本顶应力与应变关系及挠度方程,创新了顶板破断分区方法,确定了裂隙诱导型顶板分区破断条件和破断模式。③确定了超长工作面顶板分区破断控制准则。确定了以防止顶板切落式动载冲击为主的顶板动载荷估算方法,指导了支架支护强度等关键参数的确定。④研发了高阻、非等强7 m大采高液压支架及开采装备。对于高地压,研发了高工作阻力(18 000 kN)液压支架;对于大角度俯采,立柱采用前粗后细非等强设计,提高了顶梁前端支顶力;对于底板软岩层,设计了支架防扎底机构;对于顶板破碎易露冒情况,采用倒C型全封闭模式;对于煤壁易片帮情况,采用三级强力护帮机构,并配套采煤机、运输机等装备。

应用效果:相应技术成功在井下应用,工作面最大采高达6.5 m,两淮首次实现6 m大采高开采,开采工效提升38.3%,产量提高36.7%,实现了千米深井大采高工作面高效开采。

3 煤巷千米快速掘进技术与装备

我国煤矿掘进呈现三大特点:①地质条件复杂多变,掘进技术发展极不均衡;②掘进机械化、自动化程度低,用人多,事故多,环境差;③锚杆施工工艺繁琐,很难实现自动化、智能化,严重影响掘进速度与效率。巷道掘进与支护已成为煤矿智能化建设短板,必须攻关研究,使掘进与支护作业由依靠人工到全面机械化,再到自动化、智能化,大幅度提高掘进速度,减人、提效,保障安全。

1)提高煤巷掘进速度的途径。确定掘进模式、优化掘进工艺、优选掘进装备、优化支护参数、开发快速支护新技术、掘进全系统整体配套与协同。

2)煤巷掘进自动化与智能化关键技术。提升掘进自动化、智能化水平是实现快速掘进的有效途径和发展方向。研发了超前探测技术、自动化及智能化截割技术、临时支护技术、自动化锚杆施工技术、定位与导航技术、智能控制系统,实现了围岩稳定性与环境监测及大数据分析。

3)钻锚一体化智能快速掘进系统。研发了钻锚一体化智能快速掘进系统,开发了钻锚一体化智能快掘成套装备。①研发了钻锚一体化锚杆,实现了钻孔、锚固、预紧一体化,由原来6道工序减为1道,施工效率提升1倍以上;研发了新型泵注式锚固材料,锚杆施工质量稳定,锚固力≥200 kN,预紧力矩超过300 N·m;研发了钻锚一体化自动支护系统,包括钻架+钻箱+锚杆仓+注浆系统+控制系统,设计了圆形锚杆仓,一次性存储8根锚杆,且包含4自由度,实现了一体化锚杆施工无人化和锚杆存储、抓取、安装、支护施工、锚固等全流程自动化。②研发了自动化喷涂支护技术。提出了快速喷涂临时支护技术,采用快速凝固喷涂材料,在巷道表面形成高强度、高韧性护表喷层,起临时支护作用,并替代金属网,开发了自动化喷涂机械臂及控制算法,实现了喷涂泵、料箱、机械臂与掘锚一体机联合集成。③研发了随掘变形动态监测系统,采用双目相机三角测量原理,实现了动坐标系下特征点相对距离不变。④其他技术。如自动截割、导航定位系统等。

应用效果:陕煤曹家滩煤矿122104内回风顺槽,巷道断面尺寸6.5 m×5.5 m,断面积35.75 m2,跨度大,煤帮高,巷道设计长度5 980 m,巷道与相邻工作面采空区距离50 m,掘进过程中局部发生片帮。煤巷千米快速掘进成套技术装备已成功应用于曹家滩矿,锚杆均为一键自动施工,6道工序减为1道,单根锚杆施工时间由原来5～6 min缩短为3 min,锚固力≥200 kN,预紧力矩超过300 N·m,井下钻锚一体化支护控制系统终端支持遥控器、操作面板、集控中心3种控制终端的钻锚一体化锚杆自动化施工,井下可通过操作面板切换设置,实现一人多机的锚杆支护自动化作业。近6 000 m、6.5 m×5.5 m超大断面巷道目前已全部掘进完毕,最高日进尺65 m。煤巷千米快速掘进技术与装备入选2022年度央企十大国之重器和北京市国际首创产品。

4 展望

1)加强超大采高、超长工作面、超长推进度等千万吨工作面覆岩运移与破坏机理的研究;加强煤机装备关键元部件研发,进一步提高煤机装备可靠性;提高工作面智能化水平,实现井下少人化开采。

2)更深入研究千米深井巷道、冲击地压巷道等围岩变形破坏机理,支护-改性-卸压协同控制原理及配套技术;千米深井工作面覆岩运移与矿压显现规律,支架与围岩相互作用关系,加强智能化技术研究,实现减人提效。

3)实现煤巷千米快掘的有效途径是掘进的自动化、智能化。研究超前探测、高精度定位导航、自动化与智能化截割、临时主动支护、锚杆自动化施工技术与装备;实现掘支装备工况、围岩稳定性、支护体及环境监测及大数据分析等,系统集成,大幅提高掘进速度与工效。