甘肃省煤矿项目

华亭煤田矿区强矿压危险性分析及区域预测研究
本课题提出的以应力场演化、能量聚集及致灾条件分析为主线的技术路线，综合利用了矿井地质、开采动力学、地球物理学、灾害学等多学科的相关研究方法，实现了将矿区地质、构造地质、地应力特征、工程特征、开采扰动过程等诸多信息综合的融合，为推进有关冲击地压、冲击地压等开采动力灾害的区域预测、灾源识别、危险性分析和危险源控制领域的研究具有重要参考价值。

同时，课题研究所建立的有关冲击地压"冲击危险性" 、"冲击强度"和"冲击地压冲击势"等基本概念及相应的判别指标，所研究开发的基于三维地质模型的有限元网格自动划分技术、基于有限元分析的多元线性回归和最小二乘法地应力场反演分析新技术、针对"区域探测、目标监测、危险状态评价"三个不同层次要求的监测体系、基于宽频域震动信号全波形采集与分析的岩体完整性评价与冲击危险性评价技术、判断岩体稳定性状况的"声发射、压力"耦合模式及邻近断层开采的动态库仑力变化模型及评价分析技术等在理论上和方法上丰富和发展了现有有关冲击地压等动力灾害的研究理论和方法。

随着进一步的发展和完善，将成为该领域研究成果的一个重要组成部分。

特厚急倾斜煤层开采沉陷规律与应用研究
该项目以甘肃窑街矿区三矿为研究背景，采用多种研究方法，对特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层与地表移动机理、基本规律、预测方法和岩层移动控制技术等进行了较为全面、系统的研究。

具有以下创新性：（1）通过实测分析，揭示了特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层与水平开采空间的折转关系、覆岩多次重复采动、岩层移动沿倾向变方向传播、地表移动变形剧烈的沉陷特征；得出了地表移动盆地向顶板侧扩展和下沉值不断累计、形成深长整体沉陷盆地的规律。

（2）建立了基于开采影响传播角变化的特厚急倾斜煤层水平/斜切分层开采沉陷预计模型和预测方法，提出了关于分层采高、采深、倾角的地表最大下沉值计算方法，确定了本矿区地表移动预测参数，编制了相应的预测软件。

（3）提出了仰式反斜开采岩层控制技术和开采方法，通过工作面仰式反斜布置，减缓了顶板一侧的变形程度，缩小了地表影响范围，对地面受护区起到了延缓影响的作用，为特厚急倾斜煤层三下开采提供了新方法。

2013年经甘肃省科学技术厅组织鉴定，该项目选题新颖，方法合理，取得了良好的经济效益和社会效益,研究成果达到了国际先进水平。

陇东巨厚黄土塬区煤田地震勘探方法技术研究
本课题通过针对陇东巨厚黄土塬区地震反射波特征和影响探测效果的主要因素，采取单深井、大药量激发，中低频检波器接收，高覆盖次数叠加，层析静校正处理，优势频带解释及多属性分析等手段，获得了具有较高信噪比的煤层地震反射信息。

首次在陇东巨厚黄土塬区实现了高精度煤炭地震勘探，填补了陇东巨厚黄土塬区地震勘探的空白，创造性的在陇东巨厚黄土塬区极复杂地区成功地开展了地震勘探，在陇东巨厚黄土塬区提高了地质成果的精度。

倾斜高瓦斯特厚煤层走向长壁综采放顶煤技术
2011年06月～2012年06月，宝积山煤矿经过项目调研、可行性论证、三机配套选型改造、理论研究、室内试验、现场工业性试验等，课题组按计划进度完成了"急倾斜高瓦斯特厚煤层走向长壁综采放顶煤技术"计划任务书的目标要求，工作面产量平均达到6万吨／月，顶煤回收率达到85%。

在急倾斜难采煤层实现走向长壁综放开采，达到了安全高效生产。

该成果基于宝积山煤矿急倾斜（平均倾角53°，最大62°）、高瓦斯、特厚煤层条件，对走向长壁综采放顶煤技术进行了研究与应用，其主要技术创新点如下：
1．基于急倾斜特厚煤层走向长壁开采工作面上覆岩层与底板的运移规律，采用数值模拟和物理模拟方法，分析了顶板及顶煤垮落运移和底板滑移所导致支架-围岩系统稳定性，为科学设计液压支架提供了依据。

2．根据急倾斜煤层的特点，提出并应用了两柱掩护式低位放顶煤液压支架，提高了初撑力，增设了顶梁和底座的防滑装置，改善了支架-围岩系统的稳定性，提高了顶煤的回收率。

3．基于急倾斜特厚煤层的采空区顶板岩层移动破坏规律，提出并实施了急倾斜高瓦斯特厚煤层综放开采瓦斯抽放技术方案，实现了采空区瓦斯高效抽采。

4．研究分析并优化了放煤工艺参数，实现了该条件下的安全高效开采。

近河下特厚煤层分层综放开采技术研究与应用
本项目主要研究基于华亭矿区煤层厚度大、覆岩结构复杂、地表地形复杂；地面村庄分布较多、地表北汭河穿越整个矿区，村庄下、河流下压覆煤炭资源储量巨大，严重制约着矿区矿井的安全正常生产和矿井的可持续发展的特殊地质采矿条件。

项目具有重要的科学研究价值，成果应用会产生巨大的社会、经济、环境效益。

应用自主研制开发的井下仰孔双端封堵内置式输气、高压输水、均压注水测试系统对陈家沟煤矿三采区3201、3202工作面开采覆岩导水裂缝带进行观测。

最大观测高度首次超过160m。

施工高角度（68～72°）观测钻孔4个（3个观测孔、1个对比孔），单孔最大观测高度162m，分层放顶煤重复开采裂采比12.41。

在井下仰孔观测的基础上，结合FLAC3D数值模拟计算和理论分析方法，综合分析研究了特厚煤层分层综放开采覆岩冒裂带的高度和分布形态及特征，给出北河下厚煤层综放开采防水煤岩柱高度计算公式：单一分层开采：Hsh （12.41＋5）M1＋60；上下分层均开采：Hsh （12.41×1.1＋5）M2＋60。

为华亭矿区特厚煤层分层综放水体下开采提供理论和技术依据。

应用理论分析方法，分析覆岩裂缝带范围关键层作用，得出覆岩中第34层是限定了导水裂缝带高度继续向上发展的主要因素之一的结论。

项目研究成果填补了国内外在特厚煤层分层放顶煤开采条件下覆岩导水裂缝带高度井下仰孔观测的空白。

采动影响下强矿压煤层回采巷道围岩控制关键技术研究
《采动影响下强矿压煤层回采巷道围岩控制关键技术研究》项目针对山寨煤矿11051回风顺槽维护难题，通过采用"强监测、强卸压、强支护" 综合技术，有效解决了受相邻工作面采动与构造应力叠加双重影响和存在强矿压危险的回采巷道掘进与支护问题。

通过微震观测、电磁辐射观测与分析研究，揭示了强矿压显现规律；采取主动避让、大直径钻孔卸压、深孔爆破卸压、煤层高压注水卸压和"限推进度，限设备位移，限员管理"的"三限"强矿压防控等措施，有效解决了巷道掘进期间的强矿压防治问题。

基于巷道围岩破坏机理分析和松动圈实测，优化了联合支护结构及参数；采用锚索梁桁架支护系统支护小煤柱侧帮，采用三节式U型钢拱形可缩形支架和注浆联合支护方式进行局部破坏巷道加固，有效降低了巷道围岩变形量，保证了巷道安全掘进和维护。

通过该项目的实施，使山寨煤矿11051回风顺槽安全掘进与有效维护，确保了矿井采掘接续正常。

效益显著，具有推广应用价值。

该项目在受采动影响、构造应力作用和强矿压威胁的回采巷道掘进、支护、强矿压防治研究方面具有创新性，该项成果达到国内领先水平。

强矿压小煤柱动压巷道支护技术研究
该项目通过分析研究，借鉴国内外同行的先进经验和技术在250103工作面首次采用了小煤柱开采技术,采用动压巷道整体耦合让均压支护方法，较好的解决了小煤柱开采时巷道支护这一技术难题。

主要进行了：（1）250103工作面回风顺槽的地质资料收集、分析与整理；（2）原支护系统分析与评估；（3）现场支护参数测试与观测；（4）通过科学计算，确定250103工作面回风顺槽锚杆支护系统参数，完善250103工作面回风顺槽的支护系统；（5）现场施工及技术培训；（6）250103工作面回风顺槽支护效果观测、巷道支护参数优化。

此项目的研究应用为解决综放工作面顺槽小煤柱掘巷冲击地压条件下煤巷锚网支护问题开辟了一条新的有效的途径。

目前，在华亭煤矿250103工作面两顺槽已经得到推广应用。

整体耦合让均压支护体系是深井高应力大变形动压条件下的一次技术革命，有着广泛的推广和应用价值。

经省科技厅组织有关专家鉴定，该成果水平达到国内先进水平。

华亭煤矿强矿压危险性预测与防治技术研究
该项目根据矿山的实际情况筛选出SOS软件自带功能中适于华亭煤矿使用的功能。

通过本项目人工后处理，可得到设备自身不能自动产生的数据，扩充了SOS微震观测系统的使用功能。

地震学理论、技术与方法应用于矿山煤岩动力灾害的观测与研究，具有坚实的理论基础、实验基础和国内外实际应用的实践检验。

该项研究，引进、消化、吸收、筛选和提出的地震学、气象学和矿山地震学理论、技术与方法，结合采矿学与岩石力学，对于华亭煤矿强矿压危险性的预测分析具有较好的应用效果。

基于地理信息系统的采动微震分析系统MapRAS，集成了该项研究的全部采动微震预测分析技术，分析功能强大，预测分析效果较
好，程序界面友好，运行稳定，操作和使用方便。

项目研发的基于微震法的强矿压危险区划分和危险性评价红、橙、黄三级判定指标和防治对策，经工程应用检验，效果较好。

项目提出的通过能量指标优化的开采强度，适于特定地质和采矿技术条件下强矿压的控制，解决了在隐伏断裂带内开采的强矿压问题。

基于强矿压危险性评价、预测预警和优化的卸压解危技术措施，使采煤工作面强矿压发生次数同比降低66.4%，掘进工作面同比降低14.4%，减灾效果显著。

华亭煤矿强矿压灾害严重，曾造成一定的人员伤亡和经济损失，并带来相关的社会问题。

该项目的应用，可为实现华亭煤矿的煤炭开采提供有力的技术支持，实现预定的采煤计划，消除作业人员和矿工家属的恐惧心理，维护矿区和社会稳定。

华亭矿特厚煤层覆岩煤柱型强矿压防治研究
项目针对华亭煤矿特厚煤层倾斜分层综放开采的250102工作面，在上覆岩层和构造应力的共同作用下，煤柱区发生多次强冲击矿压的特点，采用实验室试验、数值模拟、理论分析和现场实施等研究方法，历经一年多的研究工作，建立了一套适合华亭煤矿的切实可行的冲击矿压监测及治理技术体系。

得出了如下成果:
（1）华亭煤矿煤样属于强冲击倾向性。

（2）确定发生冲击矿压类型为构造应力下的覆岩煤柱型冲击矿压。

（3）按采矿地质条件分析方法，250102工作面强矿压危险指数为中等危险。

（4）确定回采工作面两顺槽前150m范围内始终是250102工作面的危险区域，受褶曲构造影响，工作面推进过程中所过向斜段是两顺槽的危险区段。

（5）确定煤柱是影响强矿压的重要因素，并确定了煤柱区的冲击矿压防治原则，根据防冲煤柱的理论设计基础，设计了两种类型煤柱的宽度。

（6）总结了覆岩层中坚硬岩层即关键层破断的时空和能量释放演化规律，据此提出了有效的覆岩冲击的防治技术。

（7）从防冲的角度优化了采区内区段工作面的布置及其接替顺序，提出了三种有效的开卸压巷方案和开采方案。

（8）建立了华亭煤矿2501采区冲击矿压危险监测技术体系，确定了监测技术体系内各监测方法的监测方案和监测指标。

（9）建立了2501采区冲击矿压的监测防治体系，实现时间上对冲击危险进行早期综合分析预测与即时预测相结合、空间上区域预测与局部预测、点预测相结合。

（10）制定了特殊的工作制度，个体防护措施和有效的管理措施。

强烈矿压显现条件下特厚煤层分层综放开采沿技术研究
通过课题组两年的集中攻关研究与试验，完成了课题全部研究内容，达到了课题要求的技术经济指标，实现了预期的目标。

课题取得了以下研究成果：
(1) 分析了沿空掘巷巷道所处位置应力场的特征和煤柱与巷道围岩的结构关系，说明了特厚煤层分层综放开采留小煤柱护巷是可行的。

(2) 支护参数设计：①锚杆承载力大部分达到了100kN，并且还有35%左右的备用系数，能够满足回采期间的采动影响，确保巷道安全，证明选择的锚杆材料和支护参数是科学的、合理的。

(3)直接经济效益：初设的净煤柱尺寸为20m，现在优化为7.6m，可采走向长度2539m，煤厚平均15m，回采率85%，将使每个工作面减少53万吨的煤炭资源浪费，则每年可创收6200余万元。

砚北煤矿特厚煤层倾斜分层构造顶板型强矿压防治研究
项目研究成果
（1）砚北煤矿开采的工作面处于褶皱构造区，煤层特厚，采用倾斜分层放顶煤开采。

在此条件下，发生的强矿压显现特点主要是首采面发生强矿压；破坏范围大，强度高，有时破坏范围可达300多m；强矿压显现主要集中在工作面前方转载机段（长度约为60m），这和采动后的局部应力场有关，在顺槽掘进中发生的强次数就很少；所采煤层老顶为5～18m坚硬稳定的粉砂岩，容易聚积大量的弹性能；在破坏形式上，以底鼓为主，并伴随着支护损坏、但巷道两帮没有鼓出，强烈时顶沉底鼓严重，而顶板没有断裂；工作面开采至褶皱不同位置时强矿压显现次数与强度不同。

位于向斜轴附近时，强矿压显现次数多且强度大，而工作面位于背斜轴部附近时，强矿压显现次数少，强度有所减弱。

（2）通过分析250205上工作面强矿压显现的特点和影响因素，确定2502采区发生的强矿压为构造型强矿压为主的构造煤层型
强矿压。

（3）砚北煤矿二水平2502采区250205上工作面纯煤样平均动态破坏时间为243ms，平均弹性能指数为8.06，平均冲击能指数为5.41，对比《中华人民共和国行业标准》MT/T174-2000，该工作面煤样具有强矿压倾向性。

故该煤层属于强矿压倾向性煤层。

（4）褶皱构造区应力分布规律的数值模拟和2502采区应力场的反演分析表明，褶皱构造区具有初始地应力场分布的非均匀性和开采后局部地应力场变化的方向性与差异性。

（5）经过对砚北煤矿2502采区煤样强矿压倾向性的实验室测定，并结合现场的电磁辐射信号的详细实测记录，通过大量的数据分析，并结合250205上工作面回采过程中所出现的矿压动力现象，确定2502采区强矿压预测预报的电磁辐射信号预警指标：最大幅值：105mV；脉冲数：1500N。

（6）根据已发生强矿压的地点情况，结合规定及实际煤粉量的情况，确定250205上工作面煤粉量临界指标为：钻孔深度10m 范围内，钻屑量平均值高于2.2kg/m时，有强矿压危险，工作面必须停产撤出人员，进行强矿压防治；当钻屑量平均值在1.75kg/m ~ 2.2kg/m之间有强矿压危险，必须采取措施；钻屑量平均值小于1.75kg/m，无危险，不用采取措施，工作面可以正常生产。

（7）对砚北煤矿全矿范围内实施了24h连续自动化微震监测。

监测表明，发生在250205上工作面的震源比较集中，主要集中在布置于辅运顺槽中的12号测站附近，震动次数多，能量大。

而1502采区由于有两个工作面进行回采和采掘准备，震源位置比较分散，释放能量较小。

微震时间分布上存在规律为：8：00-11：00期间震动发生次数最高，18：00—20：00震动次数最低，这主要和工作面回采有关。

从对微震能量以及震动次数角度分析，发现强矿压发生前有如下特点：震动次数多但释放能量有限，接下来一段震动次数少，释放能量也小，然后是震动次数和能量释放急剧增加，而后发生了强矿压显现。

（8）结合现场实践和理论分析，可以把震动能量之和、震动次数、高于一定能量的能量之和、高于一定能量的震动次数等四个指标作为微震系统预警冲击矿压的指标，建立起了区域预测的技术与方法。

（9）考察了动压对巷道变形的影响，统计表明，工作面前方60～90m这个区域的起底发生概率在运输顺槽的各个区域段中最高，是0.27；起底发生在运输顺槽前120m范围内的概率是0.71，在前210m范围内的发生概率是0.90。

说明250205运输巷道前120m 范围，尤其是60－90m这一段是压力显现最严重的区域，也是最有可能发生强矿压的区域，应当加强观测、预防和治理。

（10）统计分析了地表沉降对工作面动压的影响，分析表明，工作面上方比采区其他部分下?明显。

工作面最大下沉量达到3m 以上，而工作面两边下沉量不足1m，充分说明地表下沉的主要原因为采动影响所致。

（11）针对砚北煤矿以及2502采区目前实际的生产和接替状况，从有利于强矿压的角度优化了采区内区段工作面的布置及其接替顺序，最有利的开采顺序应是回采完250205上工作面后，回采该面西部的250206上工作面，然后回采250207上工作面，再回采250205上工作面东部的250204上工作面，这样强矿压危险性最小。

确定出区段煤柱留设的最佳尺寸为3～5m，并提出回采工作面推进速度要保持匀速，切忌忽快忽慢，采采停停。

（12）工作面前方100m范围为重点防治区域，重点采用放炮卸载措施；前方100m～200m范围为一般防治区域，采用煤层注水和放炮联合卸载措施。

200m外顶板则采取高压注水措施。

自实施该措施以来，工作面至今已安全推进近1400米。

（13）建立了2502采区强矿压的综合防治技术体系。

即应用综合指数法、微震法、电磁辐射法和钻屑法相结合的时空分级预测体系，实现时间上对强矿压危险进行早期综合分析预测与即时预测相结合、空间上区域预测与局部预测、点预测相结合。

根据预测的不同强矿压危险等级，依据强矿压的强度弱化减冲理论，采取爆破卸压、煤体（顶板）注水、切顶爆破卸压等措施，并采用电磁辐射法和钻屑法检验治理效果。

实现了生产－→监测－→能量积聚－→卸压爆破－→能量释放－→生产－→监测的强矿压动态防治。

现场应用情况较好。

（14）通过项目的研究工作，实现了250205上工作面安全生产，取得了良好的社会效益和经济效益。

倾斜复杂（合）煤层综放开采技术研究
该项目具有如下特点：1.根据倾斜复杂（合）煤层厚度分布不均、倾角变化大的特点，调查研究了工作面所处位置的地质构造、煤层特征、现有支护形式，测试了工作面围岩物理力学性质；采用相拟模拟实验和非线性数值计算方法，研究了工作面覆岩运动、破坏规律，采场矿压显现特征，顶煤运移破坏和冒放规律以及"支架－围岩"相互作用关系，为支架造型、采煤工艺设计与顶板控制提供了科学依据。

2.设计了走向倾角变化大、特厚夹矸、复杂（合）煤层长壁综采放顶煤采煤工艺和安全技术措施，解决了大断面开切眼一次成巷、工作面快速安装、采煤机半刀割煤、"U"型上行"附加局部"通风等关键技术，形成了该类煤层条件下的技术集成创新，新增年产值15000余万元，具有广阔的推广应用前景。

达到了国际先进水平。

大采厚强矿压特厚煤层分层综放开采高产高效技术研究
在近水平特厚易燃煤层条件下，通过矿压监测，加强工作面矿压的预报，总结出了矿压显现规律，在工作面顺槽采用超前深孔顶煤（板）预爆破卸压、加大超前支护范围等先进技术取得成功，实现了高产高效。

试验成功工作面顺槽超前深孔顶煤预爆破和回采工作面支架顶部顶煤松动爆破等顶煤回收技术。

在工作面顺槽超前70m进行深孔爆破，在放顶煤支架顶梁中部和支架两侧侧护板上预留松动爆破孔，不降架即可打松动炮炮眼进行顶煤爆破。

巷道布置和回采技术取得重大进步。

在强地压煤层中研究应用长工作面（由原来的52m变为201m）、长走向长度（由原来的1150m变为2500m）、大采放高度(由原来的15m变为18.5m) 工作面。

减少了回采巷道的掘进率，万吨煤掘进率由27.8m /万吨降至5.66m/万吨，每年少掘进巷道4428m，每年节约巷道掘进费用2931.2万元（回采巷道每米掘进费用6619.68元）。

成功应用ZF12000/23/35型低位放顶煤综采支架和Pm31电液控操作系统。

采用成组移架技术，加快移架速度，解决了矿井原综采支架无前探梁、侧护板和护帮板的支架不能及时护顶、护帮、易片帮冒顶、架间落煤多、清煤量大、移架速度慢、支架容易损坏、检修费用大、安全隐患多等问题。

项目总投资10050元，在井田走向长度2500m井田范围内布置一个采煤工作面，使生产能力由300万吨/年，提高到400万吨/年，年净增生产能力100万吨，年净增工业产值20500万元(平均吨煤售价205元)，净增利税7750万元（吨煤利税77.5元），仅1年收回全部投资。

项目经2007年12月29日甘肃省科技厅组织鉴定，该项成果达到国际先进水平。

砚北煤矿深部开采矿压规律研究及煤层大巷合理位置确定。