[00359463]沿空巷道围岩协调控制机理及其工程应用

项目背景及存在问题： 中国煤矿每年新掘回采巷道超过6000km，大部分矿井回采巷道间留有不等宽（4m~30m）的区段煤柱，不仅造成煤炭资源浪费（约占煤炭资源总损失量的36.7%），而且易产生应力集中，导致冲击地压等动力灾害的发生。实施沿空留巷不仅能较好解决上述问题，而且具有巷道掘进率低、经济效益高等优点，是煤炭开采技术的重要发展方向。 近年来，中国从薄煤层到厚煤层，从缓倾斜煤层到急倾斜煤层，都有沿空留巷成功的案例，但仍存在以下问题：（1）在坚硬或软弱顶板煤层中经常出现因巷帮加锚煤体或巷旁充填体变形过大而留巷失败的现象；（2）在中厚及厚煤层中实施沿空留巷时，其成本往往较高；（3）不同顶板或煤层条件下沿空留巷到底采用何种支护方式即经济又有效。其难点在于：理论上，建立沿空留巷顶板运动与其巷承载体（指巷帮加锚煤体、巷旁充填体和采空区矸石体）变形与承载能力关系，揭示沿空留巷承载体支护机理；技术上，如何实现沿空留巷承载体既未变形破坏又能有效支撑顶板。 创新性技术内容： 课题组经过6年多的联合攻关，凝练出“沿空留巷承载体变形与承载能力应与顶板岩层运动规律相协调”的创新思想，通过在多种地质及开采条件下进行现场实践，取得了如下创新性成果：（1）构建了沿空留巷“巷帮加锚煤体-巷旁充填体-矸石体”协调控制结构力学模型，推演了沿空留巷支护系统协调变形控制方程，揭示了沿空留巷支护系统协调变形、共同承载原理；（2）揭示了三轴加卸载条件下煤体变形及刚度演化规律，提出了不同加锚密度煤体变形承载性能增长机制，获得了“柔-强”组合充填体和不同含水率、颗粒粒径矸石体的变形承载性能，以及充填体在不同Cl-、SO42-浓度水环境下的强度衰减规律；（3）以控制侧向基本顶岩梁最佳回转角为依据，提出了协调巷帮加锚煤体、巷旁充填体、采空区矸石体变形能力的定量设计方法，达到了沿空留巷支护系统协调变形共同承载的目标，成功实现了不同条件下的沿空留巷。 技术经济指标： （1）创建的沿空留巷承载体协调控制力学模型及变形能力定量设计方法，满足了不同条件下沿空留巷围岩支护要求，巷道返修率降低92%；（2）提出的加锚煤体承载性能原位测试方法，能较准确获得不同加锚参数煤体变形承载性能，精度0.01MPa；（3）获得了不同加锚参数煤体变形承载性能的增长机制，可对巷帮煤体变形能力进行精确调控，精度达95%以上。 推广应用及效益情况： 该研究成果从2015年开始，在山东济宁、淄博、山西大同等矿区多个煤矿得到了推广应用。实践表明，该成果适用于各种条件煤层沿空留巷，沿空巷道围岩变形破坏得到明显控制。近三年为企业就多回收煤炭93.3万t，新增销售额32664万元，新增利润11543万元。 对科技进步推动作用： 该成果已获得授权发明专利10项，发表相关学术论文被SCI收录5篇、EI收录5篇，中国煤炭工业协会组织的专家鉴定委员会认为“项目研究达到了国际领先水平”，具有很强国际竞争力和示范性，大大推动了中国煤矿安全生产的科技进步。