浅埋煤层岩层控制理论与技术.pdf

浅埋煤层岩层控制浅埋煤层岩层控制理论与技术理论与技术 全国煤矿支护技术创新成果汇报 汇汇 报报 提提 纲纲 一、一、研究研究背景背景及总体思路及总体思路 二二、、创新成果主要内容创新成果主要内容 三、成果质量与水平三、成果质量与水平 四、应用推广及经济社会效益四、应用推广及经济社会效益 1 1 立项背景立项背景  我国西部我国西部浅部煤层浅部煤层储量丰富储量丰富，，神神 府东胜煤田探明储量占全国府东胜煤田探明储量占全国1 1/ /3 3，， 为为世界七大世界七大煤田之一煤田之一  目前目前，，已建成年产超过已建成年产超过4 4亿亿吨的现吨的现 代化特大型矿区代化特大型矿区，，是我国最重要是我国最重要 的能源基地的能源基地  浅埋煤层安全浅埋煤层安全、、高效高效、、绿色开采绿色开采，， 对对陕西经济陕西经济和和国家能源国家能源具有重要具有重要 支撑作用支撑作用 一、一、研究研究背景背景及总体思路及总体思路 基地 神东，陕北 矿区 神府 榆神 榆横 府谷 产量 超过4亿吨/年  浅埋薄基岩条件特殊，传统理论不适用，开采面临巨大挑战浅埋薄基岩条件特殊，传统理论不适用，开采面临巨大挑战 ①① 顶板台阶下沉，支架压毁，经济损失巨大，威胁安全生产顶板台阶下沉，支架压毁，经济损失巨大，威胁安全生产 ②② 煤层埋藏浅，高强度开采，环境破坏严重，社会矛盾凸显煤层埋藏浅，高强度开采，环境破坏严重，社会矛盾凸显 ③③ 近年来，大采高的普及，保水开采的发展，理论亟待创新近年来，大采高的普及，保水开采的发展，理论亟待创新  浅埋煤层国际罕见，岩层控制理论与技术，必须立足自主创新浅埋煤层国际罕见，岩层控制理论与技术，必须立足自主创新 来压强烈，支架压毁，损失严重 采动地裂缝发育，水土流失严重 柠条塔矿柠条塔矿 大柳塔矿大柳塔矿 2 总体思路 解决三方面难题，支撑浅埋煤层安全、高效、绿色开采 支撑 揭示 建立 掌握 覆岩垮落规律 沙土载荷传递 顶板结构模型 埋藏浅压力大 的机理 浅埋煤层 顶板结构 理论 安全 开采 确定 建立 开发 隔水层实验技术 充填保水开采 隔水层稳定性 条带充填 隔水力学模型 合理充填参数 浅埋煤层 充填保水 开采理论 掌握 绿色 开采 支撑 开发 破解 浅埋大采高 初采、末采、 支护难题 采场支护技术 浅埋煤层 岩层控制 技术 高效 开采 支撑 浅埋 煤层 安全 高效 绿色 开采 巷道支护技术 浅埋煤层岩层控制 理论与技术 覆岩垮落规律 结构特征、载荷传递 采场来压规律 浅埋煤层定义、顶板结构理论 浅埋煤层采场、巷道支护技术 保水开采岩层控制理论 大采高岩层控制理论 实践-完善 规律 理论 技术 实践 技术路线 研究历程研究历程19931993- -2016 2016 历时历时2323年年 长期积累，原始创新，应用广泛 出版首部出版首部 浅埋专著浅埋专著 理论技术编入理论技术编入 国家规划教材国家规划教材 煤矿总工手册煤矿总工手册 博士论文研究博士论文研究 浅埋岩层控制浅埋岩层控制 初建初建 顶板结构顶板结构 20012001 国家基金国家基金 载荷传递载荷传递 动态结构理论动态结构理论 19931993 20102010 20112011 丰富和发展丰富和发展 国家基金国家基金大采高开采大采高开采 国家基金国家基金充填保水开采充填保水开采 新世纪计划新世纪计划 浅埋开采与环境浅埋开采与环境 20042004 提出提出 浅埋煤层定义浅埋煤层定义 20162016 凝练总结凝练总结 陕西高校科技一等奖陕西高校科技一等奖 出版新专著出版新专著 煤炭学报煤炭学报百篇论文百篇论文 技术开发技术开发 发明金奖发明金奖 20142014 20022002 20032003 首次编入首次编入 规划教材规划教材 19981998 20002000 20132013 二、二、创新成果主要内容创新成果主要内容 成果一成果一 揭示了浅埋煤层覆岩结构特征，建立了浅埋煤层定义  浅埋煤层矿压特征与浅埋煤层科学定义 ①浅埋矿压特征薄基岩全厚切落，非稳态顶板结构，动压强烈 ②典型浅埋煤层单一关键层，台阶下沉，顶板垮落“两带” ③近浅埋煤层 双关键层结构，大小周期来压  发现了顶板剖面结构特征初次非对称三铰拱结构，周期性台阶岩梁结构 近浅埋双关键层结构特征 初次来压结构特征 周期来压结构特征 国家自然科学基金50104009，新世纪优秀人才计划NCET040971 大周期 小周期 冒落带 裂隙带 岩梁 台阶 三铰拱 非对称  揭示了顶板空间结构特征 阐明了采场来压中部大，两端小，中部早，两端滞后的时空机理 老顶初次破断 非对称岩板结构 老顶周期性 弧形岩条 空间结构 支撑材料支撑材料 附件附件1浅埋煤层开采岩层控制理论，浅埋煤层开采岩层控制理论，陕西高校科学技术一等奖陕西高校科学技术一等奖，， 陕西省教育厅，陕西省教育厅，2016.3 附件附件2浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义，岩石力学与工程学报，，岩石力学与工程学报，20028他引他引258次次 附件附件3浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究 中国矿大出版社，中国矿大出版社，2000他引他引268次次 附件附件4近浅埋煤层大采高矿压显现规律实测近浅埋煤层大采高矿压显现规律实测.矿山压力与顶板管理，矿山压力与顶板管理，20033他引他引72次次 附件附件5钱鸣高主编钱鸣高主编矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制第十章第十章，中国矿大出版社，，中国矿大出版社，2010 他引未统计他引未统计  论著3篇（部），他引达598次  编入矿山压力与岩层控制国家规划教材  2016年陕西省高校科学技术一等奖 创新点二创新点二 创立了浅埋煤层顶板结构理论  采场初次来压顶板结构理论采场初次来压顶板结构理论 提出了提出了非对称三铰拱非对称三铰拱结构模型结构模型 揭示了初次空间滑落动压机理揭示了初次空间滑落动压机理  采场周期来压顶板结构理论采场周期来压顶板结构理论 提出了提出了台阶岩梁台阶岩梁结构模型结构模型 揭示了揭示了滑落失稳滑落失稳动压机理动压机理 破解了浅埋浅、压力大机理难题破解了浅埋浅、压力大机理难题 01 1 01 sin 0.24 0.54P θi R − −≥ 国家自然科学基金（51174278，50104009） 1 11max 11max t sinsin2 0.5sinsin P θθii θθi R − −− ≥  大采高顶板结构理论大采高顶板结构理论 提出了提出了等效直接顶等效直接顶及分类及分类 建立了建立了高位台阶岩梁高位台阶岩梁模型模型 揭示了大采高揭示了大采高持续高压持续高压机理机理  测定了端角挤压和摩擦系数测定了端角挤压和摩擦系数 促进了结构分析由定性向定量发展促进了结构分析由定性向定量发展 创新了岩块端角力学实验方法创新了岩块端角力学实验方法 避免了传统理论避免了传统理论2525的的误差误差 A C B M N Σhi W d θ h2 h3 R3 R2 R1 p m h1  发现了厚沙土层动态载荷传递规律 提出了载荷传递因子 发展了动态结构理论 揭示了工作面提速减压机理  提出支架“给定失稳载荷”状态 阐明了合理支护降低失稳载荷的机理 发展了采场支架围岩关系 建立了采场顶板控制计算方法 ϕλtan2/ 11 hKlK tG 沙土层 关键层 煤层 卸荷拱 弧形岩柱 gρlhKρghl θi R 1 111G11 sin 0.24 0.54 − −≥ （初次来压） （周期来压） gρlhKρghl θθii θθi R 111G1 11max 11max t sinsin2 0.5sinsin − −− ≥ 支撑材料支撑材料 附件附件6浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析. 煤炭学报煤炭学报创刊创刊50年百篇年百篇论文，论文，2014 附件附件7浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析. 煤炭学报，煤炭学报，19996，他引，他引206次，次，EI 附件附件8采场老顶初次来压的结构分析采场老顶初次来压的结构分析. 岩石力学与工程学报，岩石力学与工程学报，19985，他引，他引46次，次，EI 附件附件3浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究，中国矿大出版社，，中国矿大出版社，2000，他引，他引208次次 附件附件9厚砂土层顶板关键块动态载荷传递规律厚砂土层顶板关键块动态载荷传递规律. 岩石力学与工程学报岩石力学与工程学报, 200424, 他引他引29次次, EI 附件附件10浅埋煤层长壁开采顶板结构与支护阻力确定浅埋煤层长壁开采顶板结构与支护阻力确定.矿山压力，矿山压力， 20021他引他引38次次 附件附件11老顶岩块端角摩擦系数和挤压系数实验研究老顶岩块端角摩擦系数和挤压系数实验研究. 岩土力学，岩土力学，20001他引他引37次，次，EI 附件附件5 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制第十章第十章，中国矿大出版社，，中国矿大出版社，2010，，开辟新章开辟新章 附件附件12 煤矿总工程师技术手册煤矿总工程师技术手册，煤炭工业出版社，，煤炭工业出版社，2010 编入编入煤矿总工手册煤矿总工手册和和国家规划教材国家规划教材 20142014获获煤炭学报煤炭学报5050年百篇年百篇论文，他引论文，他引615615次次 以上创新，奠定了 浅埋煤层采场顶板支护的理论基础 有力支撑了浅埋大煤田安全开采  发明了固液耦合模拟实验技术 2013年发明金奖 ① 地层模拟实验用多介质耦合装置 发明专利ZL201010275048.5 ② 粘土类地层固液耦合相似模拟材料 发明专利ZL201510049996.X ③ 实现了隔水层水理性和应力应变全程相似的突破 1800 1745 1925 B6B72021 B8 12 B1 B2 3 4 5 6 7 19 18 17 16 10 98B3 创新点三创新点三 建立了浅埋煤层保水开采岩层控制理论与技术 隔水层应力应变全程相似 0 5 10 15 20 25 30 012345678 ε / σ /kPa 黄土 黏土 固液耦合模拟装置 隔水层裂隙发育规律 国家自然科学基金 51174156，陕西省社发攻关项目2010 上行裂隙带高度上行裂隙带高度 下行裂隙带深度下行裂隙带深度 保水开采的隔水性判据保水开采的隔水性判据 含土层含土层 全基岩全基岩 H 为隔水岩组厚度；为隔水岩组厚度；Hs为上行裂隙高度；为上行裂隙高度； Hx为下行裂隙深度；为下行裂隙深度；M 为采高。为采高。 / /3 sx HMHHM≥ / /5 sx HMHHM≥  揭示了“上行裂隙”和“下行裂隙”发育及导水规律 建立了隔水岩层的隔水性判据 βtan 67 . 2 s s T M H MH x K 分分 区区 隔水岩隔水岩 组厚度组厚度 采煤采煤 方法方法 自然保水自然保水 开采区开采区 ＞＞33倍倍 采高采高 综采综采 综放综放 长壁限高长壁限高 综采区综采区 18-33倍倍 采高采高 限高限高 分层分层 局部充填局部充填 开采区开采区 ＜＜18倍倍 采高采高 局部局部 充填充填 贫水贫水 综综 开采区开采区 ＜＜18倍倍 采高采高 综采综采 采采 煤煤 方方 法法 规规 划划 图图  提出了保水开采分类，编制了生态水位保护采煤方法规划图  建立了条带充填保水开采岩层控制理论  提出了柔性条带充填隔水层连续梁力学模型 12 3 4 56 L1 L2 L4 L3 L5 I1I6 3  确定了上行裂隙和下行裂隙发育深度  建立了条带充填隔水层稳定性判据 hd H – hs hx ≥ 3-5M 当当当当当当当当当当 u cmcm x m T X h xaxbeE R Hh cm − − − sincos 11 2 βββ β 充填体 基岩层 粘土层 充填体 煤层 有 效 隔 水 岩 组 下行裂隙 有效 隔水 岩组 下行裂隙 黏土层 基岩层 煤层 haq ADBC δ0 0 θmθf Wmax 充填条带 有效隔水层 水平变形曲线 下沉曲线 区段煤柱  发明了柔性条带充填保水开采技术 发明专利 ZL201510278433.8  确定了合理条带宽度、间隔宽度计算方法 上行裂隙高度 间隔宽度 条带载荷 下行裂隙深度隔水层扰度条带压缩率 高宽比 隔充比  开发了高沙基充填材料和工艺 提出了早期自稳强度确定方法，开发了陕北高沙充填材料配方 风积沙70；水泥6；粉煤灰7.7；添加剂0.3；水16 容许7-10的条带压缩率，降低材料成本 1 − ∆− ∆− HM EW K ff γ 7 . 1 3 1 20 4 . 1− ≥ c HK L δ γ 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.16 0.315 0.63 1.25 2.5 5.0 累 计 筛 余 量 筛孔/mm 附件附件1313 浅埋煤层保水开采岩层控制研究，煤炭学报，浅埋煤层保水开采岩层控制研究，煤炭学报，20172017（（1 1），），日本日本JSTJST全文翻译转载全文翻译转载 附件附件14 黄庆享，张文忠著黄庆享，张文忠著. 浅埋煤层条带充填保水开采岩层控制浅埋煤层条带充填保水开采岩层控制 科学出版社，科学出版社，2014 附件附件15 发明金奖发明金奖，地层模拟实验用多介质耦合实验装置，陕西省总会等，，地层模拟实验用多介质耦合实验装置，陕西省总会等，2013.10 附件附件16 发明专利发明专利，地层模拟实验用多介质耦合实验装置，，地层模拟实验用多介质耦合实验装置，ZL201010275048.5，，2013.4 附件附件17 发明专利发明专利，一种柔性条带充填保水开采方法，，一种柔性条带充填保水开采方法，201510278433.8，，2015.9 附件附件18 发明专利发明专利，粘土类地层固液耦合水理性相似材料确定方法，粘土类地层固液耦合水理性相似材料确定方法ZL201510049996.X，，2016 附件附件19浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究.岩石力学与工程学报，岩石力学与工程学报，20095他引他引43次次 附件附件20固液耦合试验隔水层相似材料的研究固液耦合试验隔水层相似材料的研究.岩石力学与工程学报，岩石力学与工程学报，2010S1他引他引29次次 附件附件21浅埋煤层黏土隔水层下行裂隙弥合研究浅埋煤层黏土隔水层下行裂隙弥合研究.采矿与安全工程学报采矿与安全工程学报, 20101他引他引22次次 附件附件22浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究浅埋煤层开采隔水层位移规律相似模拟研究.煤田地质与勘探煤田地质与勘探20065他引他引27次次 附件附件23 矸石电厂粉煤灰理化特性研究矸石电厂粉煤灰理化特性研究. 硅酸盐通报硅酸盐通报, 20096他引他引8次次 附件附件24基于采空区充填材料的煤矸石活化机理研究基于采空区充填材料的煤矸石活化机理研究.太原理工大学学报，太原理工大学学报，2013（（6）） 支撑材料支撑材料 发明专利3项，2013发明金奖，2017JST全文译载 2014年出版专著1部，论著他引129次 本项创新，发展了 浅埋煤层保水开采岩层控制理论与技术 促进了浅埋煤层绿色开采 创新点四创新点四 开发了浅埋煤层开采岩层控制技术 （一）采场岩层控制技术  提出了大采高工作面合理支架阻力确定方法 发明专利 201610301922.1 解决采场支架选型难题，避免了切顶、压架事故 实用新型 201620427660.2 浅埋大采高工作面合理支架阻力计算方法浅埋大采高工作面合理支架阻力计算方法 1 p kZ ]sin14[ sin2 1cot 2 1 bP θlhKMh lθh hβhLbγP         −−− −≥ ∑ ∑∑ lk R1 l h2 R2 R3 h3 a p m  初采悬顶控制技术 超深孔爆破，解决大范围悬顶，避免垮落灾害  过空巷顶板控制技术 a端部双向“八”字形b中部双向“八”字形c端部单向小角度 30 回风巷 运输巷 开切眼开切眼开切眼 3030 回风巷 运输巷 回风巷 运输巷 lll 新掘空巷斜交设计新掘空巷斜交设计 过平行旧空巷技术过平行旧空巷技术  过薄基岩顶板控制技术 高阻防切顶、注浆放水防溃沙  两端头悬顶控制技术深孔爆破 解决工作面端头架后长距离悬顶灾害  末采两次调压顶板控制技术 避免了漏顶、切顶压架事故 工作面端头 悬顶处理技术 实用新型 ZL201620196034.7 12613回风巷回风巷 12613回风巷回风巷 12614运输巷运输巷 12613运输巷运输巷 开切眼 回撤通道 开切眼 回撤通道 60 空巷空巷 悬顶距 工作面煤壁 悬顶距 工作面煤壁 30 a 工作面内支架后部 采空区 工作面内支架后部 采空区 工作面煤壁 悬顶距 回风巷 工作面煤壁 悬顶距 回风巷 b 工作面端头三角区 采空区 工作面端头三角区 采空区 实用新型实用新型 ZL201520123661.3ZL201520123661.3 帮锚杆 长锚杆 副帮 H L2Lf h l1 l2 l3 （二）巷道掘进与支护技术  提出了巷道自稳平衡圈支护原理提出了巷道自稳平衡圈支护原理  发明了大采高含夹矸煤巷支护技术发明了大采高含夹矸煤巷支护技术 发明发明专利专利 ZL201410544663.X 实用实用新型新型 ZL201520123662.8  发明了井下无腿立交巷道施工方法发明了井下无腿立交巷道施工方法 发明发明专利专利 ZL201310069006.X 解决了巷道支护难题，降低了支护成本，提高了掘进速度 煤巷锚网支护技术煤巷锚网支护技术 无腿立交巷道支护技术无腿立交巷道支护技术 巷道极限平衡圈支护巷道极限平衡圈支护 52305运输巷道机头段 加固锚杆 煤壁平台 运输巷道机头段 加固锚杆 煤壁平台 25b工字钢溜煤眼 煤壁平台 上、下铺钢筋网 加固锚杆 工字钢溜煤眼 煤壁平台 上、下铺钢筋网 加固锚杆 2 4500 原巷道 顶板线 胶 带 中 心 线 巷 道 中 心 线 原巷道 顶板线 胶 带 中 心 线 巷 道 中 心 线 500 1070 500 600 支撑材料支撑材料 论文他引论文他引152次次，发明，发明3项，实用新型项，实用新型4项项 附件附件14 近浅埋煤层大采高矿压显现规律实测研究近浅埋煤层大采高矿压显现规律实测研究. 矿山压力与顶板管理，矿山压力与顶板管理，2003（（3）他引）他引72次次 附件附件15 巷道冲击地压的损伤断裂力学模型巷道冲击地压的损伤断裂力学模型. 煤炭学报，煤炭学报，2001（（2）他引）他引70次次 附件附件16 特殊地质条件下综采工作面顶板控制技术特殊地质条件下综采工作面顶板控制技术.煤炭科学技术，煤炭科学技术，2014（（2）他引）他引10次次 附件附件17含夹矸泥岩煤层巷道外错滑移机理与支护对策含夹矸泥岩煤层巷道外错滑移机理与支护对策.煤炭科学技术，煤炭科学技术，201411 附件附件18 发明专利发明专利井下立交巷道的施工方法井下立交巷道的施工方法ZL201310069006.X，，2015.5 附件附件19 发明专利发明专利含软夹矸层厚煤层外错滑移变形巷道支护方法含软夹矸层厚煤层外错滑移变形巷道支护方法ZL201410544663.X, 2016.8 附件附件20 发明专利发明专利一种大采高工作面支架额定载荷确定方法，一种大采高工作面支架额定载荷确定方法，201610301922.1，，2016.6 附件附件21 实用新型实用新型一种地下工程物理模拟实验用锚杆测力计，一种地下工程物理模拟实验用锚杆测力计，ZL201520123662.8，，2015.7 附件附件22 实用新型实用新型大倾角地层可视化立体相似模拟实验装置，大倾角地层可视化立体相似模拟实验装置，ZL201520123661.3，，2015.11 附件附件23 实用新型实用新型一种大采高液压支架预警系统，一种大采高液压支架预警系统，ZL201620427660.2，，2016.8 附件附件24 实用新型实用新型一种便携式钻孔测角仪，一种便携式钻孔测角仪，ZL201620196034.7，，2016.8 以上技术创新 保障了顶板安全，提高了采掘效率，降低了成本 有力支撑了世界级浅埋大煤田高效开采 感谢各位专家