[01437134]深井瓦斯煤层扩容致灾机理与动力灾害近场防控关键技术

煤炭作为主体能源，长期以来为中国经济高速发展起到了关键支撑作用。但随浅部资源日趋枯竭，中国东部煤矿几乎全部进入深井开采（如淮南矿区13对煤矿井深均超过600m,其中7对主力矿井都达到1000m；其他矿区甚至有达1500m井深的煤矿，为亚洲之最)，中部煤矿也逐步进入深井开采。中国中东部煤矿还将持续支撑该区域经济发展，煤炭深井开采势在必行。进入深井开采，地应力和瓦斯压力显著增大、煤层透气性更差、构造复杂性明显增加，在深井已抽采煤层的高应力控制区域，煤岩瓦斯动力灾害的治理仍是重大难题，如两淮矿区煤与瓦斯突出事故发生起数和死亡人数“十一五”较“十五”期间分别上升71.5%和65.2%。特别是浅部无动力灾害危险的首采保护层，深部普遍升级为突出煤层（如淮南潘一矿11煤在-454m瓦斯压力为0.1MPa,而-826m为5.1MPa),动力灾害更加严重，首采层开采极其困难。针对 这两大难题，该项目根据深井瓦斯煤层极其复杂的开采条件，围绕煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和防控技术，以采动应力及其作用为研究主线,历经15年“产、学、研”攻关，突破了深井已抽采煤层高应力区和首采层的煤岩瓦斯动力灾害预测-监测-预警及治理难题，开创了一条有效的治理新路。研究揭示了深井开采瓦斯煤层气固耦合扩容致灾机理，首次提出扩容致灾安全判定指标，实现了基础理论的创新。依据扩容致灾理论，开发了深井开采煤体扩容的有效预测方法，发明了扩容灾变的监测预警成套装备与技术，成功解决了煤岩瓦斯动力灾害实时定量监测预警的科学难题。基于扩容致灾的实时定量监测预警，创建了“时间-空间-强度”相统一的近场防控技术，在受采动影响的近场区域减小了应力集中，从而有效控制了煤层扩容，降低了瓦斯压力和扩容煤体的采动储能，实现了煤岩瓦斯动力灾害近场防控关键技术的突破，为保障深井瓦斯煤层的安全开采提供了新的理论和技术。项目围绕两淮矿区新庄孜、谢桥、祁南等多个煤矿，成功开展了系统工业性试验及应用，并在其他矿区推广，取得了明显效果：（1)“十二五”以来，淮南矿业集团13对矿井全面应用该项技术后,消除了煤岩瓦斯动力灾害事故的发生，瓦斯抽采效率显著增加，实现了零瓦斯超限事故；（2)应用该技术，成功实现了首采层的安全高效开采，无一动力灾害现象的发生；（3)应用矿区成功回收应力集中区煤炭资源，提高回采率5%-10%；煤巷掘进和工作面推进速率提高40%-70%。研究成果获授权专利4项（发明专利2项)、受理发明专利7项，获省部级一等奖2项、二等奖3项，发表学术论文50余篇，整体技术处于国际领先水平，受到国内外专家的高度评价和认可。该技术受到人民日报、中国煤炭报、光明日报等主流媒体的关注和报道，研究成果在中国5个矿区23个深井煤矿的数十个工作面进行了推广应用，产生经济效益23.7亿元。有力推动了中国煤矿安全的科技进步，具有很强的示范性。