急倾斜特厚煤层高阶段顶煤超前预爆分析-analysis of advanced pre-blasting of high-stage top coal in steeply inclined extra-thick coal seam.docxVIP

1绪论1.1研究的背景及意义研究背景急倾斜特厚煤层高阶段综放开采是建设高产高效矿井、充分回收煤炭资源的重要手段。新疆是我国战略资源储备区，煤炭预测储量达2.19万亿吨，占全国总量的40%，是国家必威体育精装版批建的第14个大型煤炭基地。急倾斜、多构造和特厚煤层等条件为国内外仅有，开采难度极大。神华新疆能源有限责任公司主采的急倾斜特厚煤层(群)储量占世界急倾斜煤层的30%以上。在急倾斜特厚煤层赋存条件下，矿压规律复杂，存在综放工艺参数确定、高阶段顶煤可放性差、巷道片帮、冒顶致灾等一系列严重问题。解决影响急倾斜特厚煤层安全开采的这些技术难题，是当前我国煤炭开采领域的重大课题、也是促进我国新疆大开发、保证国家能源供给的迫切需要[1~2]。新疆乌鲁木齐矿区发展高产高效开采的关键是科学提高水平分段高度与系列化保障技术。急倾斜水平分段放顶煤综放开采与缓倾斜长壁开采不同，工作面短，其长度只能是煤层的水平厚度，在提高综放装备水平加快工作面推进度同时，科学提高水平分段高度是提高产能的关键技术指标。2006年国家安全生产监督管理总局和国家煤矿安全监察局公布施行修改的《煤矿安全规程》第68条对放顶煤开采技术以及相关技术参数做出了一些新的规定。包括：采用放顶煤开采时，必须遵守下列规定：采用预裂爆破对坚硬顶板或者坚硬顶煤进行弱化处理时，应在工作面未采动区进行，并制定专门的安全技术措施。严禁在工作面内采用炸药爆破方法处理顶煤、顶板及卡在放煤口的大块煤(矸)。这对新疆乌鲁木齐矿区的急倾斜综采放顶煤安全开采技术提出了新的挑战。急倾斜特厚煤层高阶段水平分段放顶开采将面临两个关键性问题：一是顶煤的可放性，即顶煤能否充分破碎及采取何种技术措施使顶煤的破碎度满足放出要求。二是顶煤、围岩的控制问题，探索顶煤破碎与流动规律[3]，掌握顶煤充分破碎后的放出规律及围岩控制技术以保障生产安全。以超前预爆破为主的急倾斜高阶段顶煤综合弱化技术与快速连续装药工艺及装备是当前科学、有效解决顶煤破碎的有效方法，亟需深入加强研究。研究意义制约我国经济发展的突出瓶颈是能源，而目前能源中比较主动解决的是煤炭。西部煤炭产量占全国30%，煤炭赋存条件复杂，开采难度大。西部煤炭安全开发已成为国家能源战略部署的重中之重。研究西部煤矿安全高效开采重要关联技术，确保国家煤炭能源供给。本研究以神华新疆能源有限责任公司碱沟煤矿高阶段综放安全开采为背景[4~5]，以高阶段顶煤超前预爆破弱化技术为目标，通过理论研究、实验测试和现场试验、优化超前预爆破参数，提出合适的弱化方案，保障生产安全。本研究对急倾斜煤层高阶段水平分段综放安全开采具有必要性和现实性。1.2国内外研究现状1.2.1急倾斜煤层超前预爆实验研究西部复杂地质力学环境造成西部独特的地壳变形和构造应力体系，岩体力学多尺度问题突出。由于尺度上存在时空关联性，单一手段预测动力失稳具有局限性。在建立多尺度力学计算模型时，可靠的计算方法可保证工程安全，减少判断失误[6]。TangC.A[7~8]等在岩石破裂诱致突变或灾害方面研究取得重大突破。西安科技大学和教育部西部煤矿开采及灾害防治重点实验室的专家学者在该领域内颇有建树。通过二次开发的三轴MTS试验和声发射(AE)实时监测室内实验(图1.1)，并借助扫描电镜和声光电测试系统，对急倾斜煤岩体试样进行观测，研究不同应力水平下煤岩体内部裂隙损伤孕育与发展过程，揭示试验岩体的流变损伤时效特征；利用光学观测系统对急倾斜煤岩结构面空间展布进行精确测量、煤岩内部节理追踪，建立煤岩结构面空间分布的三维模型；建立基于声发射数据的煤岩体强度损伤模型，为急倾斜特厚煤层与巷道变形及稳定性分析奠定基础。研发了动-静荷载耦合作用大型立体(4.42×2.9×1.95m)急斜煤层综放开采模拟实验方法(加载框架12×8.8×5.6m)(图1.2)，揭示顶煤运移规律、支架载荷分布特征、顶煤冲击倾向性及诱致顶板动力灾害可能性，为急斜煤层综放面合理采放参数确定和安全开采设计构筑了高水平实验平台。图1.1三轴MTS-AE实验图1.2大型立体综放模拟实验瓦斯迁移致灾是依然是开采过程中面临的世界性技术难题之一。国内外近来就矿山动力灾害问题发表了系列成果[9~10]。但有关急倾斜煤层瓦斯抽采还鲜有研究。必须配合以地球物理的探测，才能从根本上提高预测水平。因此，必须深入研究发展急倾斜特厚煤层开采矿井(群)地面、地下和开采扰动区的多层次立体监测技术和方法，提高动力灾害预报水平。已有学者在深入研究卸压保护层开采以及采动裂隙演化(包括“O”圈理论)等基础上，发展形成了具有中国特色的煤与瓦斯共采技术[11~16]。与缓倾斜煤层相比，急倾斜煤层矿山压力分布与演化特征独特，工作面两巷形成“楔形(V字形)”结构，采动影响下易导致瓦斯积聚。同时，煤体瓦斯孔隙压力对巷道与顶板稳定性也产生