煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采关键技术研究

切顶成巷围岩水理测试试验装置
模拟了不同煤岩参数条件下，最佳的主动切顶卸压成巷技术指标和操作 工艺，提高了成巷的安全可行性。
三、关键技术及创新点
3、研发了沿空切顶双向聚能爆破装置及技术：发明了适用于煤矿切顶的双
向聚能爆破装置，研发了沿空切顶双向聚能控制爆破技术，解决了沿空巷道顶板预裂爆破 时对围岩破坏的技术难题。
岩体应力动态显示
巷 道 工 程 情 况 巷 道 围 岩 分 区 巷 道 测 点 布 置 应 力 动 态 曲 线
应力预警曲线
应力状态稳定 应力状态不稳定
围岩稳定性判定及控制对策
三、关键技术及创新点
锚索受力仪安装
顶板离层仪安装
井上监测中心界面
5—7 天
远程监测中心界面
三、关键技术及创新点
6、研发了切顶卸压沿空成巷工艺流程
施工采面上下顺槽→下顺槽采空侧超前加固锚索及顶板预裂爆破施工→动压 临时加强支护及远程实时监测系统布设→工作面回采→高强沿空挡矸支护， 采场顶板周期来压自动切顶卸压成巷→回收工作面后方矿压稳定区沿空成巷 内支护材料，并喷浆封闭采空区→第二个采煤工作面无煤柱开采。
四、主要技术经济指标及知识产权
1、试验区安全沿空成巷460米，并实现了第二个工作面的无煤柱开采。为世界首次实现 自动成巷无煤柱开采。
上顺槽
回采煤层
第一工作面 下顺槽
采空区
上顺槽
第二工作面
下顺槽
长壁无煤柱开采方法
一、立项背景及研究思路
第二工作面
第二工作面
采空区矸石
沿空留巷 巷旁充填
第二工作面 第二工作面
采空区矸石
原始应力场掘巷 外应力场掘巷 留煤柱掘巷 小煤柱掘巷
传统留巷方法及顺槽施工
一、立项背景及研究思路
2、研究思路：为有效防范安全事故和提高煤炭资源回收，从而提出了本课题。建立主动切顶 卸压成巷无煤柱开采新技术理论。
3
4 5
一种深部岩体工程灾害模型实验方法
一种实时远程无线监测边坡滑坡的系统及方法 一种测试煤岩体中气体运移过程的方法及装置
ZL200710119124.1
ZL200710119125.6 ZL200910088810.6
发明专利
发明专利 发明专利
四、主要技术经济指标及知识产权
公开发表学术论文3篇
序号 作者 论文名称 期刊名称 发表时间
锚索托盘
恒阻大变形装置
恒阻大变形锚杆结构设计示意图
锚索杆体
三、关键技术及创新点
控制台
主机系统
恒阻锚杆索静力测试平台 恒阻锚杆索冲击动力测试平台
三、关键技术及创新点
5、研发了矿压远程实时监测及预警系统
现场监测数据 自动实时分析判断 就地储存 隐患预警 发送到远程工作室(矿井、北京试验室) 管理、现场、试验室 采取措施防止事故
三、关键技术及创新点
顶板自然垮落模型
需切顶沿空成巷位置
顶板自然垮落应力双峰模型
三、关键技术及创新点
锚 索
工作面 下一工作面
切顶卸压沿空成巷力学模型图
三、关键技术及创新点
恒阻锚索
NB TB TB C ML B Pq qsinα
预裂切缝
NC TC
qcosα M0 TA NA A y x0
煤体
5—7 天
q0cosα
α
e
c
Biblioteka Baidu
d
巷道 巷旁支护体 30 天以上
切顶卸压沿空成巷数学力学模型
三、关键技术及创新点
沿空切顶模型
恒阻锚索
巷旁单体支柱
切落成巷帮
沿空切顶成巷应力双峰模型
三、关键技术及创新点
Pq [ M L (q cos l N C )( x0 c d ) 沿空切顶支护阻力： 1 (q sin q0 cos )( x0 c d ) 2 2 h d x0 TC ( S B ) M 0 0 y ( x0 x)dx] /( x0 c ) 2 2 C0 Px 2 tan 0 C0 exp 其中： y tan A MA tan 0 0
6、主动切顶卸压沿空成巷工艺的研发
研究并建立主动切顶卸压沿空成巷的系统工艺，解决理论技术的工业应用问题。
三、关键技术及创新点
1、建立了主动切顶卸压沿空成巷新技术理论
（a）预裂高度2m最大主应力场
（b）预裂高度4m最大主应力场
（c）预裂高度6m最大主应力场
（d）预裂高度8m最大主应力场
切顶卸压沿空成巷——预裂高度卸压效应
工作面前方30m
工作面前方200m
工作面前方300m
工作面前方350m
工作面前方400m
工作面前方450m
四、主要技术经济指标及知识产权
2、试验区沿空成巷每米造价465.78元，仅为原传统方法(每米造价3075元)的15%，相比 节约85%，即2609元/米，共节约120万元。 3、与常规留煤柱开采相比：①.少掘一条460米的巷道及矸石运输排放，节约182万元。 ②.多回收10米宽的煤柱资源10626吨，增加产值441.6万元。③.节约防突工程费312.8万 元。④节约巷道施工时间3个月，使第二个工作面提前3个月开采，多出煤86742t，直接 效益867万。共计1803.4万元。 4、安全威胁大幅降低，社会效益显著。采用沿空成巷后，消除了常规留煤柱开采顺槽 巷道施工存在的煤与瓦斯突出等安全威胁。采用Y型通风和底板网格强力抽采瓦斯技术， 瓦斯威胁大幅降低。由于采用超前作业，避免了传统沿空留巷需大量人员搬运材料设备，
C0 tan 0 MA x0 ln C0 P 2 tan 0 x tan 0 A krh
2
2b b L l 100 102 m x0 c d 17 Lm b h 1 2 M T S q cos l L C C 5—7 天 2 2 TC NC l
白皎煤矿监测中心
北京试验室监测中心
三、关键技术及创新点
监测参数：采集锚索荷载、顶板离层量 、矿压
应力信号接收
定稳 岩 围 道 巷
现 场 采 集 发 射 系 统
应力信号处理
离 层 岩 体 相互作用 深 部 岩 体
应力监测
应力传感器
应力信号激 发 应力信号发射
应力信号储存
室 内 接 收 分 析 系 统
二、主要研究内容
4、新型恒阻大变形锚杆索支护材料及技术研发
开发适用沿空巷道变形规律的新型锚杆索支护材料，及与之配套的测试平台。解决 现有支护材料难以适应沿空巷道变形，岩层断裂扰动造成的支护技术难题。
5、矿压远程实时监测及预警系统的研发
开发沿空巷道矿压在线实时监测及预警系统，解决常规人工观测不能及时掌握矿压 显现规律和改变支护的技术难题。
切顶卸压沿空成巷理论研究
采场应力分 布 特 征 数 学 力 学 理 论 模 型 数值计算力 学 模 型
切 顶 支 护 阻 力 确 定
切顶卸压沿空成巷试验平台研发 成巷力学模 岩石水理作用 T-P 耦合瓦斯运 恒阻锚杆静 恒 阻 锚 杆 动 远 程 实 时 监 型 试 验 台 测 试 系 统 移 测 试 系 统 力测试系统 力 测 试 系 统 控 预 警 中 心
配套关键技术研发
爆破切缝技术 恒阻让压支护技术 矿压远程监测技术 治灾技术措施
切顶卸压沿空成巷设计研究 聚 能 爆 破 切 缝 设 计 恒 阻 锚 网 索 支 护 设 计 远程实时在线监测设计 工业应用研究
项目总体研究技术路线图
二、主要研究内容
1、主动切顶卸压沿空成巷机理及力学模型研究
建立切顶卸压沿空成巷力学、物理、数值模拟实验模型，研究切顶卸压沿空成巷过 程中的变形失稳规律，以及采矿参数等工程条件的影响规律，找出主控参数，构建 力学模型试验系统，揭示主动切顶卸压沿空成巷机理。
Lq sin 2 h SC
三、关键技术及创新点
2、研发了主动切顶卸压沿空成巷试验测试平台
出气管口 TP耦合气化 效应实验主机
高灵敏度 微压传感器
K1 气相色谱分 析仪 K2 高灵敏度流量计量仪 放气口
煤岩T-P耦合瓦斯解析运移特性实验装置
三、关键技术及创新点
切顶成巷物理力学模型试验装置
进入沿空留巷段长时间高强度施工作业的安全风险，安全威胁和职工劳动强度大幅降低，
采煤生产效率提高15%左右。取消了传统高水充填护巷材料，减少了环境污染和能源消 耗。
四、主要技术经济指标及知识产权
获国家发明专利 5项
序号 1 2 名 称 一种双向聚能张拉成型爆破管 一种用于测试地层深部软岩水理作用的测试仪 专利号 ZL200610113007X ZL200610113006.5 专利类型 发明专利 发明专利
采
灰岩聚能爆破效果
花岗岩聚能爆破效果
三、关键技术及创新点
采
沿空切顶成巷井下聚能爆破切缝预裂后切落块体
三、关键技术及创新点
4、研发了恒阻大变形锚索（杆）新型支护材料及技术
传统锚杆（索）存在问题：延伸量低 (<80mm) ，无法适应沿空巷道大变形及冲 击大变形，过早破断失去承载力
适合于切顶卸压沿空成巷的支护材料——恒阻大变形锚索(杆) 恒阻力达到120～130KN 延伸量达到0.3～0.65m 动态9820.5J冲击能量，冲击5次，锚索伸长量达1.0 ～1.2m 仍能保持有效支护,可以充分适应沿空巷道大变形及冲击大变形对延伸 量的要求，处于领先水平。
上顺槽
第二工作面 第二工作面
下顺槽
长壁留煤柱开采方法
一、立项背景及研究思路
原始煤层及应力分布
第二工作面
下顺槽
第一工作面
上顺槽
第一步：第一个工作面上下顺槽施工
一、立项背景及研究思路
第一工作面回采 第二工作面 下顺槽 上顺槽
第二工作面 第二工作面
采空区矸石
第二步：第一个工作面回采及顶板垮落
三、关键技术及创新点
2、主动切顶卸压沿空成巷试验测试平台研发
构建切顶卸压沿空成巷试验物理力学模型系统，解决主动切顶卸压沿空成巷模拟及 工业设计参数优化难题；研究建立沿空成巷过程中的T-P耦合瓦斯突出与解析模拟 实验装置、围岩吸水软化试验装置，解决室内实验设备问题。
3、双向聚能爆破主动切顶装置及技术研发
开发适用煤矿的新型双向聚能爆破装置，及双向聚能爆破预裂顶板技术，解决既能 主动切顶，又尽可能减少因爆破对沿空巷道围岩破坏的技术难题。
一、立项背景及研究思路
1、立项背景
顶板 17.2%
水害 19.1%
西南地区最为严重
瓦斯 50.7%
2009年全国煤矿事故死亡人数比例图 2006-2008年部分省区煤矿年平均顶板事故
顶板及煤与瓦斯突出占煤矿各类事故死亡人数65%，为事故之首，西南三省更严重 其中60%以上的顶板和煤与瓦斯突出事故发生在工作面顺槽，是最大安全威胁 工作面顺槽布置方式分为：常规留煤柱开采和传统无煤柱沿空留巷开采
煤矿切顶卸压沿空成巷无煤柱开采 关键技术研究
四川芙蓉集团实业有限责任公司 中 国 矿 业 大 学 （ 北 京 ） 山 东 科 大 中 天 电 子 有 限 公 司
汇报内容
1
立项背景及总体思路
2
3 4 5 6
主要研究内容
关键技术及创新点
技术经济指标及知识产权
推动行业科技进步的作用
应用推广和经济社会效益
顶板自然垮落模型
顶板自然垮落应力双峰模型
一、立项背景及研究思路
传统无煤柱沿空留巷开采：上世纪60年代，以德国、英国为主开始研究，从强支护到薄 煤皮及巷旁充填，均为刚性被动支护，存在：护巷安全可行性差、成本高、劳动强度大、生 产效率低等缺点。近年中国对煤炭的强烈需求，促进了无煤柱开采技术攻关，开发出了高水 材料及其输送泵，仍难以满足现场应用需要。导致无煤柱安全高效经济开采这一世界性技术 难题，至今尚未攻克。
上顺槽
回采煤层
第一工作面 下顺槽
采空区
上顺槽
第二工作面
下顺槽
切顶卸压成巷无煤柱开采示意图
四、主要技术经济指标及知识产权
工作面机巷后方切顶成巷断面图
工作面后方50m
工作面后方100m
工作面后方150m
工作面后方200m
工作面后方350m
工作面后方450m
四、主要技术经济指标及知识产权
第二工作面风巷前方二次复用断面图
一、立项背景及研究思路
常规留煤柱开采：我国煤矿90%为长壁开采，常规留煤柱开采岩层断裂移动引起力学 叠加和扰动，破坏顶板和形成集中应力，是造成冒顶、瓦斯突出、火灾等自然灾害加剧的 根本力学因素。且由于顺槽煤柱的存在，将多丢煤炭8%，多掘顺槽巷道50%。
上顺槽 回采煤层 下顺槽 第一工作面
留设煤柱
采空区
1
2 3
何满潮,陶志刚
滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用
岩石力学与工程学报
2009.6
何满潮,王春光
单轴应力-温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征
岩石力学与工程学报
2010.5
何满潮,张国锋