煤矿综采工作面顶板灾害防控技术最新成果

【蜂耘网  应急救援】煤炭是我国的主要能源，在“双碳”背景下，我国能源逐渐向低碳、清洁、绿色方向发展，但富煤、贫油、少气是我国的基本国情，以煤为主的能源结构短期内难以根本改变，要发挥好煤炭在我国能源领域的基础性、兜底性保障作用。

 

近年来，我国煤矿事故和死亡人数逐年下降，百万吨死亡率已接近世界先进水平。但由于我国煤炭产量和矿井数量基数较大，且地质条件、管理水平、装备能力参差不齐，煤矿事故发生起数和死亡人数总量还是较多，从多年的事故统计可知，在所有的事故类型中，顶板事故一直是我国煤矿的主要事故，其事故起数和死亡人数多年位居前两位。

 

作者所在单位为中煤科工开采研究院有限公司(原煤科总院北京开采所)，是我国最早开展煤矿开采方法改革、顶板岩层控制、冲击地压理论与技术研究的单位之一，自成立伊始，一直在为煤矿顶板安全而不懈努力。早在20 世纪50～60年代，前辈就组织推广了苏联的长壁工作面“三量”观测方法，研制了多种机械式矿压观测仪器仪表，发展了多种形式的基本顶来压预测预报。20 世纪80 年代初，史元伟研究员等老一代开拓者通过对各矿区100 多个工作面进行普查性矿压观测，首次完成了我国缓倾斜煤层回采工作面的顶板分类，该分类标准经过历代科技工作者的补充完善，至今仍作为我国煤矿岩层控制的“纲领性”标准服务于煤矿开采实践。

 

 

▲ 某煤矿超大采高工作面冒顶前后对比图

 

进入21 世纪以来，顶板灾害防控技术日新月异，通过借助计算机和通信等先进技术，可最大限度地获取、存储、管理、分析工作面围岩灾变全过程数据。作者有幸在2001 年加入这一团队，在前辈的引领下参与了这一划时代的技术变革。20 多年来，团队围绕顶板灾害致灾机理、监测预警及防治这一主题，持续攻关，相继承担“十五”“十一五”“十二五”国家科技支撑计划和“十三五”国家重点研发计划课题(任务)20 余项、国家自然科学基金项目10 余项、企业横向课题100余项。

 

开发了薄及中厚煤层综采，特厚煤层大采高综采(放)，大倾角、急倾斜煤层开采，“三软”“两硬”煤层开采等难采煤层围岩关键技术；

 

研究得到了浅埋煤层、坚硬顶板和非坚硬顶板等条件下工作面支架压力增阻特性和工作面顶板灾害前兆信息，提出了周期来压-非来压均化循环预测方法及预警模型和指标，实现了矿压显现强度的定量化分析；

 

构建了顶板分区支承理论模型，开发了顶板下沉量及内力计算软件，实现了分区支承条件下基本顶位移和内力、破断位置及工作面支护强度的科学确定；

 

研发了具有近场顶板状况感知功能的KJ21 顶板灾害监测预警系统，研制了远场覆岩断裂失稳井上下联合监测系统，开发了基于近场矿压与远场覆岩断裂的近远场顶板灾害协同预警云平台，实现了回采工作面顶板灾害多维立体监测及预警；

 

提出了采前优化设计、采中监测预警，以及大面积悬顶人工强制干预的顶板灾害防控思路，研制了深孔爆破弱化钻机平台、背筒、封孔器、药卷推送器等一系列新装置，开发了井下浅孔定向水压致裂与地面压裂成套技术等，实现了工作面顶板弱化。

 

 

▲ 水平井地面压裂示意图

 

20 多年来，团队还相继完成了我国数百座中小煤矿采法改革和技术升级，加快了中小煤矿产业升级和落后产能退出步伐；研发了国内首套煤矿工作面顶板灾害监测、预警系统，服务于我国70%以上的产煤矿区。研究成果应用于上湾煤矿8.8m 超大采高综采、晋能控股塔山矿20m 特厚煤层大采高综放开采及攀煤集团太平矿70°急倾斜煤层开采等典型煤层条件下工作面回采实践，并在山西、陕西、四川、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏等矿区数百个煤矿得到了成功推广应用，取得了良好的社会效益。

 

20 多年栉风沐雨，20 多年薪火相传，团队牢记煤矿顶板安全的崇高使命，始终站在科技创新的最前沿；得益于好的时代和中煤科工开采研究院有限公司良好平台，使团队成员心无旁骛地专注创新，并有此机会将相关的成果与经验汇聚成册，献给煤炭科技事业。

 

《综采工作面顶板灾害防控技术》（徐刚等著. 北京：科学出版社，2023.8）基于大数据技术对多个矿区相应条件顶板灾害案例进行深入研究，聚焦工作面顶板类型与灾害发生的因果关系，分析不同顶板条件下矿压显现规律和灾害特点；研制工作面顶板灾害近远场实时监测及预警平台，结合海量矿压监测数据，用宏观顶板F-T 曲线来解释工作面的矿压显现和顶板灾害致灾过程及机理，将矿压理论与信息技术和开采实践相结合，以大数据云图形式直观显示周期来压或顶板压力状况；基于煤层赋存条件和顶板活动特征，构建工作面顶板来压强度分级评价模型，开发针对不同地质条件的工作面顶板灾害控制技术。

 

 

 

▲ 本书总体框架

 

本书创新点及主要内容如下：

 

▋1. 工作面顶板灾害类型、特点及典型案例

 

将工作面顶板灾害分为大面积片帮冒顶、大面积突然垮落和大面积切顶压架三种类型，结合典型案例，对各种异常矿压显现或顶板灾害致灾过程及影响因素进行分析，分别分析上述三类顶板灾害特征及机理。

 

▋2. 工作面矿压显现定量化分析方法

 

工作面顶板灾害预防和防治核心在于掌握矿压显现规律和支护质量管理，其前提是要进行工作面矿压数据的监测、采集和分析，介绍了工作面矿压数据类型及监测方法、支架工作阻力相关概念、支架工作阻力曲线(F-T(S)曲线)、工作面支架工况多参量分析方法、工作面矿压显现强度分析及评价技术等。

 

▋3. 我国不同地质条件工作面矿压显现规律及特征

 

工作面矿压显现规律的影响因素较多，如地质条件、采煤方法、管理水平等，不同地质条件下工作面矿压显现规律不同，来压时和发生顶板灾害时的特征也有较大区别；根据顶板岩性、来压特征和灾害表现形式，分别对浅埋煤层、坚硬顶板、非坚硬顶板等三类顶板工作面矿压显现规律及特征进行分析。

 

▋4. 支架工作阻力均化循环及增阻特性

 

针对前述矿压分析中存在的问题，提出了支架增阻特性的均化循环分析方法，即采用大数据分析方法，通过建立均化循环函数，以割煤循环为单位对支架增阻特性进行分析，实现不同类型顶板条件下工作面矿压的定量化研究。

 

▲ 工作面推进到不同位置(支架在不同增阻阶段)示意图

 

▋5. 基于分区支承理论的顶板岩层断裂及失稳机理研究

 

根据工作面采动影响区沿走向方向顶板支护体和支护强度的不同，建立工作面分区支承模型，将工作面顶板分区支承结构分为4 个区域(有的支承结构分为2～3 个区域)，研究顶板分别在工作面前方、支架上方、采空区断裂处对顶板灾害发生的影响程度，并分析不同断裂位置的条件和影响因素，分析不同位置顶板断裂形成的结构形式、岩块间的力学关系及该结构的失稳条件。

 

▋6. 工作面顶板灾害近远场监测预警技术

 

介绍了近场KJ21 顶板灾害监测预警系统和远场KJ1160 矿用微震监测系统的具体功能；针对震源和深度定位误差较大、覆岩断裂监测精度低等难题，进一步介绍首创的远场覆岩断裂失稳井上下联合监测系统架构及应用；通过统筹采场围岩位移、支架压力监测与高位覆岩的断裂和失稳监测，解决顶板灾害监测预警手段单一、系统间信息融合共享度差等难题，实现顶板灾害多维立体监测及预警。

 

▲ 煤矿顶板及冲击地压检测预警平台

 

▋7. 工作面顶板灾害防治技术及现场应用

 

介绍采前优化设计、采中监测预警和人工强制干预的顶板灾害分阶段防控思路及现场典型案例，主要包括：针对浅埋煤层工作面频发的切顶压架灾害，以上湾矿浅埋大采高综采为典型案例，介绍近远场协同监测预防工作面切顶技术的现场应用；针对非坚硬顶板工作面大面积压架灾害，以崔木煤矿特厚煤层综放开采为典型案例，介绍厚含水层下大面积压架灾害综合治理技术的现场应用；针对坚硬顶板造成的工作面局部应力集中及对巷道的破坏，以同煤集团马道头煤矿厚层坚硬顶板工作面为典型案例，介绍工作面大面积悬顶地面压裂技术的现场应用等。

 

《综采工作面顶板灾害防控技术》（徐刚等著. 北京：科学出版社，2023.8）是作者多年来从事煤矿岩层控制理论与实践研究的总结，涵盖了从围岩控制基础理论、矿压规律大数据分析到顶板灾害监测预警及处置等领域的最新成果，更是对钱鸣高院士、宋振骐院士、史元伟研究员等前辈们学术思想的传承与发展，相信本书的出版会对我国煤矿岩层控制技术的应用和发展起到积极的推动作用。

 

 

 

 

（蜂耘应急救援网  责任编辑：娱悦）