煤礦高效采掘與巖層控制技術裝備新進展

康紅普

(1.中煤科工開采研究院有限公司, 北京 100013;2.煤炭科學研究總院開采研究分院, 北京 100013;3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室, 北京 100013)

1 千萬噸級采煤工作面綜采技術裝備

晉陜蒙寧甘新地區是我國煤炭保供的主力,且我國現有的千萬噸礦井94%分布在西部。榆神礦區資源探明儲量為480億t,6～10 m厚煤炭資源約占總儲量的50%,目前主要采用分層和綜放開采,存在回收率低、安全、技術、經濟等多方面問題,因此必須攻關超大采高綜采關鍵技術與裝備。實現千萬噸級采煤工作面的安全高效開采,需面臨的主要技術難點有:①超大采出空間工作面頂板及煤壁圍巖穩定性控制技術;②超大采高綜采成套裝備及可靠性;③工作面水害防治與控水安全開采技術。為更好地實現千萬噸級采煤工作面綜采技術裝備的研發,以工作面與巷道圍巖控制、工作面開采工藝與成套裝備、安全保障技術為核心,開展10 m超大采高綜采理論、技術、工藝和裝備攻關,以“三高(超大采高、高水平制造、高智能化程度)”支撐“三高(高產量、高效益、高回收率)”。

1)關鍵技術一:超大采高工作面支架-圍巖穩定性控制關鍵技術。研究了超大采高工作面采動應力三維分布規律,揭示了超大采高工作面采動裂隙擴展演化規律,闡明了煤體力學結構特征與采動應力耦合作用下超大采高煤壁穩定性及片幫機理,確定了液壓支架合理的支護強度和工作阻力。

2)關鍵技術二:超大采高工作面水平孔區域水力壓裂技術。對于工作面煤層上方有多層厚硬頂板,懸頂長度大,易造成強礦壓和支架損壞的情況,提出了采用區域水力壓裂改造頂板的方法,研發了井下高壓、大流量壓裂設備與監測系統,使厚硬頂板易垮落,降低了強礦壓,實現了支卸組合控頂控幫。

3)關鍵技術三:超大采高綜采復合水體下控水開采技術。采高增加會引起煤層覆巖破壞高度增大,導致裂隙帶發育高度與導水通道連通的可能性增強,造成回采工作面水害風險加大,因此研究了工作面覆巖的破壞特征,分析了導水裂縫帶預計高度與實際隔水層厚度的關系,評估了工作面上覆主要充水含水層對工作面開采的威脅。

4)關鍵技術四:10 m超大采高開采成套裝備。①液壓支架:研發了采用雙層伸縮梁+三機護幫板結構形式的超大采高液壓支架,設計了Φ630 mm超大缸徑的抗沖擊立柱新型結構,提出了超大采高液壓支架單架及群組穩定性控制技術,研究了超大體量高效液壓系統,實現了全動態應力精確測試及耐久性能評估;②采煤機:研究了10 m超大采高采煤機整機方案,研發了重型采煤機200 t級行走系統,設計了輕重化長壽命超大直徑滾筒;③刮板輸送機:設計了新型高強度中部槽幫,研發了大節距牽引系統和智能控制及健康管理系統;④智能控制系統:研發了工作面裝備智能控制系統、非接觸式煤流智能監測及控制系統、集成供液供電系統控制技術,提出了液壓支架綜合工況實時監控技術和工作面裝備生命周期故障預判技術。

應用效果:陜煤曹家灘礦2-2煤層,可采厚度平均10.2 m,目前主要采用7 m超大采高分層開采和6 m超大采高綜放開采兩種方式。2020年陜煤集團與中國煤炭科工集團聯合開展曹家灘煤礦10 m超大采高綜采關鍵技術與裝備攻關,研發千萬噸級采煤工作面綜采技術裝備,目前千萬噸級綜采工作面成套技術裝備已成功應用于曹家灘礦,應用效果良好。

2 千米深井圍巖控制及開采技術裝備

我國深部煤炭資源的開發勢在必行,深部煤炭安全高效開采技術必須攻克。我國許多礦井開采深度超過1 000 m,最深1 510 m。深部煤炭資源安全高效開采的突出難題有:①開采深度大,地應力高,構造應力復雜;②受強采動影響,采動應力高;③軟煤巖大變形,圍巖變形可達1～2 m,底鼓劇烈,冒頂片幫,支護體被破壞;④較硬煤巖的沖擊地壓,煤巖體突然釋放變形能,瞬間拋出,易造成設備損壞、人員傷亡。因此,千米深井安全高效開采必須解決巖層控制難題。

1)巷道支護-改性-卸壓時空協同控制原理。由于傳統的單一支護很難控制深部巷道大變形,提出了支護-改性-卸壓協同控制技術。首先采用錨桿錨索高預應力主動支護圍巖,然后采用超前高壓劈裂注漿主動改性圍巖,提高巷道圍巖強度、錨固力和完整性,圍巖支護及改性后選擇合理層位,在工作面采動應力升高前進行圍巖壓裂卸壓,減小側方懸頂和采空區后方懸頂,降低應力集中程度。①高預應力錨桿與錨索主動支護。研發了高強度、高延伸率和高沖擊韌性錨桿,提高了錨桿的抗拉、抗剪性能,充分調動了圍巖的自承載能力。②高壓劈裂注漿主動改性。采用“組分優化+超細化+納米增強+有機改性”多技術協同,研發了高滲透、高強度、高黏結微納米無機有機復合注漿材料。該材料由黃料和白料兩種材料組成,具有高早強、高可注、高黏結、低成本的“三高一低”特性,注漿時采用1∶1等體積混合壓注,粒徑(D95)小于8.8 μm,2 h后抗壓強度大于10 MPa,拉伸黏結強度大于3 MPa,漿液能滲透進煤巖微裂隙。③水力壓裂主動卸壓。工作面回采前選擇合理層位進行圍巖水力壓裂主動卸壓,減小側方懸頂和采空區后方懸頂,產生新裂隙,激活原生裂隙,降低工作面采動應力值。

應用效果:中煤新集口孜東礦,典型千米深井軟巖礦井,埋深1 000 m,煤層強度10 MPa,頂底板均以泥巖、砂質泥巖等軟巖為主,巷道原支護采用錨網索+噴漿+滯后注漿聯合控制方案,圍巖產生大變形,巷幫整體移進和劇烈底鼓。采用巷道支護-改性-卸壓時空協同控制方法后,工作面回采期間,原支護頂板下沉247 mm,新支護頂板下沉62 mm,減小74.9%,原支護兩幫移進3 529 mm,新支護兩幫移近962 mm,錨桿、錨索破斷率減少90%,綜合經濟成本降低23.3%。

2)千米深井超長工作面巖層控制與高效開采。①研究了采動應力三峰值空間分布與分區破斷特征。千米深井軟巖、超長工作面采動應力空間分布呈“三峰”形態,常規面呈“單峰”形態,超長工作面在走向和傾向上均存在分區破斷,工作面中部先來壓,強度中等,時間較短,然后向兩端持續來壓,強度較大,時間較長。②分析了超長工作面頂板分區破斷理論依據。得出了基本頂應力與應變關系及撓度方程,創新了頂板破斷分區方法,確定了裂隙誘導型頂板分區破斷條件和破斷模式。③確定了超長工作面頂板分區破斷控制準則。確定了以防止頂板切落式動載沖擊為主的頂板動載荷估算方法,指導了支架支護強度等關鍵參數的確定。④研發了高阻、非等強7 m大采高液壓支架及開采裝備。對于高地壓,研發了高工作阻力(18 000 kN)液壓支架;對于大角度俯采,立柱采用前粗后細非等強設計,提高了頂梁前端支頂力;對于底板軟巖層,設計了支架防扎底機構;對于頂板破碎易露冒情況,采用倒C型全封閉模式;對于煤壁易片幫情況,采用三級強力護幫機構,并配套采煤機、運輸機等裝備。

應用效果:相應技術成功在井下應用,工作面最大采高達6.5 m,兩淮首次實現6 m大采高開采,開采工效提升38.3%,產量提高36.7%,實現了千米深井大采高工作面高效開采。

3 煤巷千米快速掘進技術與裝備

我國煤礦掘進呈現三大特點:①地質條件復雜多變,掘進技術發展極不均衡;②掘進機械化、自動化程度低,用人多,事故多,環境差;③錨桿施工工藝繁瑣,很難實現自動化、智能化,嚴重影響掘進速度與效率。巷道掘進與支護已成為煤礦智能化建設短板,必須攻關研究,使掘進與支護作業由依靠人工到全面機械化,再到自動化、智能化,大幅度提高掘進速度,減人、提效,保障安全。

1)提高煤巷掘進速度的途徑。確定掘進模式、優化掘進工藝、優選掘進裝備、優化支護參數、開發快速支護新技術、掘進全系統整體配套與協同。

2)煤巷掘進自動化與智能化關鍵技術。提升掘進自動化、智能化水平是實現快速掘進的有效途徑和發展方向。研發了超前探測技術、自動化及智能化截割技術、臨時支護技術、自動化錨桿施工技術、定位與導航技術、智能控制系統,實現了圍巖穩定性與環境監測及大數據分析。

3)鉆錨一體化智能快速掘進系統。研發了鉆錨一體化智能快速掘進系統,開發了鉆錨一體化智能快掘成套裝備。①研發了鉆錨一體化錨桿,實現了鉆孔、錨固、預緊一體化,由原來6道工序減為1道,施工效率提升1倍以上;研發了新型泵注式錨固材料,錨桿施工質量穩定,錨固力≥200 kN,預緊力矩超過300 N·m;研發了鉆錨一體化自動支護系統,包括鉆架+鉆箱+錨桿倉+注漿系統+控制系統,設計了圓形錨桿倉,一次性存儲8根錨桿,且包含4自由度,實現了一體化錨桿施工無人化和錨桿存儲、抓取、安裝、支護施工、錨固等全流程自動化。②研發了自動化噴涂支護技術。提出了快速噴涂臨時支護技術,采用快速凝固噴涂材料,在巷道表面形成高強度、高韌性護表噴層,起臨時支護作用,并替代金屬網,開發了自動化噴涂機械臂及控制算法,實現了噴涂泵、料箱、機械臂與掘錨一體機聯合集成。③研發了隨掘變形動態監測系統,采用雙目相機三角測量原理,實現了動坐標系下特征點相對距離不變。④其他技術。如自動截割、導航定位系統等。

應用效果:陜煤曹家灘煤礦122104內回風順槽,巷道斷面尺寸6.5 m×5.5 m,斷面積35.75 m2,跨度大,煤幫高,巷道設計長度5 980 m,巷道與相鄰工作面采空區距離50 m,掘進過程中局部發生片幫。煤巷千米快速掘進成套技術裝備已成功應用于曹家灘礦,錨桿均為一鍵自動施工,6道工序減為1道,單根錨桿施工時間由原來5～6 min縮短為3 min,錨固力≥200 kN,預緊力矩超過300 N·m,井下鉆錨一體化支護控制系統終端支持遙控器、操作面板、集控中心3種控制終端的鉆錨一體化錨桿自動化施工,井下可通過操作面板切換設置,實現一人多機的錨桿支護自動化作業。近6 000 m、6.5 m×5.5 m超大斷面巷道目前已全部掘進完畢,最高日進尺65 m。煤巷千米快速掘進技術與裝備入選2022年度央企十大國之重器和北京市國際首創產品。

4 展望

1)加強超大采高、超長工作面、超長推進度等千萬噸工作面覆巖運移與破壞機理的研究;加強煤機裝備關鍵元部件研發,進一步提高煤機裝備可靠性;提高工作面智能化水平,實現井下少人化開采。

2)更深入研究千米深井巷道、沖擊地壓巷道等圍巖變形破壞機理,支護-改性-卸壓協同控制原理及配套技術;千米深井工作面覆巖運移與礦壓顯現規律,支架與圍巖相互作用關系,加強智能化技術研究,實現減人提效。

3)實現煤巷千米快掘的有效途徑是掘進的自動化、智能化。研究超前探測、高精度定位導航、自動化與智能化截割、臨時主動支護、錨桿自動化施工技術與裝備;實現掘支裝備工況、圍巖穩定性、支護體及環境監測及大數據分析等,系統集成,大幅提高掘進速度與工效。