[01491892]高应力复杂条件煤层安全高效开采关键技术研究

新光集团淮北刘东煤矿是中国典型的集多种复杂条件为一体的难开采矿井，高应力、三软、大倾角、煤层极近距离赋存且不稳定。主采煤层71、72煤层层间距1.4~15m，71煤层厚度0.19~2.16m，可采指数68%；72煤层厚度0.47~4.6m，可采指数92%，煤层节理发育，煤层倾角10~48°，煤层顶底板均为软弱破碎的泥岩，为典型的三软煤层，煤层所处地层地应力比正常值大，在埋深400m时最大主应力为16.9MPa。因此在矿井生产过程中，面临着急需解决的如下科技难题：（1）极近距离煤层群合理的开采方法；（2）高应力复杂条件巷道的合理布置与围岩控制；（3）三软大倾角厚煤层工作面合理架型与顶板控制。为此，该项目开展了以下关键技术的研究：（1）极近距离不稳定煤层群联合开采的关键技术；（2）高应力破碎、非均质巷道围岩的变形机制及控制技术；（3）三软大倾角厚煤层组合支架与围岩的相互作用关系及稳定性控制技术。项目采用理论分析、实验室物理模拟实验、计算机数值计算、现场实测与试验等研究方法，对上述关键技术问题进行了研究，取得以下主要成果：（1）揭示了极近距离联合开采采动应力对顶底板岩层的破坏规律，提出了联合开采的可行方案。研究表明：由于71、72煤层距离极近，71煤层开采对底板的塑性破坏范围为5.5m，影响到72煤层，但并没有破坏72煤层的整体结构，因此，72煤层可进行安全开采。在71、72煤层联合开采后，开采对底板破坏影响深度较大，达到15m左右，应力的影响范围和强度也较单一煤层大。（2）合理确定了极近距离不稳定煤层联合开采的巷道布置方式、支护形式与参数，进行了工作面的合理控顶设计。研究得出，联合开采采用下煤层集中平巷布置方式，71、72煤层集中平巷布置在72煤层中，上下煤层回采巷道采用外错式布置方式，护巷煤柱宽度为15m。（3）揭示了在极近距离煤层联合开采条件下，71煤层开采时巷道与工作面矿压显现规律、71煤层巷道掘进及回采时对72煤层开采的矿压影响规律、72煤层开采巷道与工作面矿压显现规律以及联合开采后上覆岩层的“两带”分布规律。（4）揭示了高应力穿层破碎围岩巷道的变形规律及机制，研究得出，随着侧压系数的增加，巷道围岩塑性区由两帮向顶底板转移分布。随着岩层角度的增加，12MPa及以下的垂直和水平应力分布由“椭圆形”分布向“矩形”分布转变，最大水平应力有所降低，两帮煤体内的塑性区范围有明显的增加，底板变形破坏程度加大。（5）根据刘东煤矿西翼二水平高应力下山穿层破碎非均质围岩巷道的变形规律和机制，确定了下山穿煤段锚网喷+锚索+超前注浆+U型棚的联合支护方案，确定了经济合理的支护参数，取得了良好的围岩控制效果。（6）针对刘东煤矿西47201工作面生产地质条件，合理选用了ZH2500/25/35Z整体顶梁组合悬移液压支架，分析了支架与围岩关系，研究得出，支柱合理的迎山角为6°左右，适应的最大煤层倾角为36°。经现场试验，减少了煤壁片帮、冒顶现象，该支架在西47201工作面应用取得了良好技术效果和效益。（7）推广应用取得经济效益18219万元。（8）发表论文11篇，申请专利8项。