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新矿集团:颠覆创新 科技攻关 ​前沿技术铸就发展新动能
2019年07月26日     (点击: )

近年来,面对深部开采难度加大、灾害并存、老区资源日渐枯竭等突出问题,新矿集团按照能源集团《关于实施“一提双优”建设的指导意见》要求,颠覆思路,科学应对,能采尽采,能收尽收,先后成功应用“110工法”新型沿空留巷、连采连充和新型超前支护等一系列革新工艺,“一提双优”工作进展成效显著。

一、无煤柱切顶留巷——提高了留巷质量和效率,消除应力集中,缓解了生产接续紧张的局面。

为解决采掘接续紧张问题,2010年以来新矿集团各矿井开展了巷内预置充填墙沿空留巷试验,由于顶板压力大,充填体抗剪切能力差,易向采空区倾倒,损坏严重,围岩变形大,留巷效果不理想,需进一步研究。近几年来我们积极和科研院校合作,借鉴“110工法”原理,与新矿实际相结合,发挥注浆锚索工作效能,从支护、切顶、封堵、监测等工艺入手,创新“薄及中厚煤层自垮成巷技术”、“恒阻大变形锚索+注浆锚索”、“注浆锚索+矿压在线实时监测”多种切顶留巷工艺,在各矿井具备条件的一次采全高煤层推广应用,其中内蒙上海庙矿区在大埋深、大倾角、大采高、多重灾害叠加影响下实现成功切顶留巷。

(一)掌握规律,准确把控沿空留巷围岩变形机理是成功留巷的前提。

1.关键理论支撑

20世纪岩层运动控制的研究依据是钱鸣高院士的“砌体梁”理论和宋振骐院士的“传递岩梁”理论为主要标志。这两种理论的提出对行业的技术进步和安全开采做出了巨大的贡献,对岩层运动控制有着很好的指导意义。两个理论的共同点都是研究顶板岩层的运动规律—平面结构。21世纪随着监测手段的进步使得研究采场应力控制和三维空间结构成为可能。

新矿集团采用覆岩空间结构理论分析和“震动场—应力场”一体化联合监测技术结合,研究采掘空间结构的应力规律,其中高精度多用途微地震监测系统—区域分析,应力在线监测系统—局部分析。一是宏观上:采用高精度微地震监测技术,对不同条件下采场宏观矿压规律重新研究,为确定顶板压力、导水范围、煤层破裂范围、底板破裂深度和进行区域性动力灾害预警等提供依据。二是微观上:以具体布置方式为研究对象,在大量现场监测、工业性试验基础上,研究不同条件下巷道围岩变形规律、侧煤体裂隙发育规律、沿空巷道变形机理及控制技术,为确定工作面的采动影响距离、覆岩空间结构特征、确定合理的巷道支护参数等提供依据。

2.切顶卸压沿空留巷围岩变形过程分析

沿空留巷围岩变形过程,具体可分为以下几个阶段:第Ⅰ阶段,掘进变形阶段,巷道开挖打破了原岩应力平衡状态,围岩应力产生调整。第Ⅱ阶段,掘进稳定阶段,巷道掘进引起的围岩应力重新分布应力达到二次平衡。第Ⅲ阶段,一次采动变形阶段,分超前采动变形和滞后采动变形两个阶段。超前采动变形主要是受第一个工作面超前支承压力影响,滞后采动变形阶段源于开采扰动。第Ⅳ阶段,留巷稳定阶段,沿空留巷的扰动应力源消失,围岩变形趋于稳定。第Ⅴ阶段,二次采动变形阶段,下一个工作面的回采,沿空留巷围岩重新受到超前支承压力的影响,围岩变形量急剧增加,直至该工作面推过后,留巷服务期结束。

(二)切顶卸压,合理切顶爆破参数选取和支护工艺是成功留巷的关键。

一是“切的开”:实践表明采空区顶板的沿切顶排冒落的及不及时、效果好不好,切顶爆破参数的选取是关键。定向预裂聚能爆破,综采工作面“Z型”切缝顶板控制技术,在非设定方向上产生均匀压力,在设定方向上产生集中拉力,实现岩体定向预裂切缝,有效控制采动压力对留巷起始点的影响,保障了留巷顶板“切得开”。

二是“拉的住”: 切顶沿空留巷采空区侧顶板为巷道变形破坏的关键部位,在巷道一次全锚索支护的基础上,工作面回采前,采用恒阻大变形锚索加固巷道靠近采空区一排侧顶板,通过恒阻大变形锚索加固采空区侧顶板,提高了顶板岩层在实体煤侧的抗弯矩能力,有效阻止了顶板的离层和错动;顶板岩层抗弯矩能力的增加限制了基本顶向采空区的旋转,减小了基本顶对采空区侧直接顶的挤压力,避免了采空区侧直接顶围岩挤压破碎,防止垮冒﹑漏冒现象的发生。

通过顶板变化规律研究,在留巷巷道顶板非采空区一排处二次施工注浆锚索加固支护,浆体充填至裂隙和锚索孔径内,将破碎围岩粘合加固,锚索实现全锚,对顶板进行二次加固组合,形成一个完整的稳定的“再生岩体”充分发挥了围岩的自撑能力,提升沿空留巷效果。

三是“封得好”:采用顶板充分垮落形成充填体,配以U型钢可缩性支柱(工字钢支柱)和金属网进行挡矸封堵,取代了矸石袋、膏体等充填材料,避免了架后临时支护和人工堆(充)充填材料,杜绝了架后顶板对操作人员的威胁。为防止留巷采空区侧漏风及有害气体涌出,采取双层风筒布防漏风技术措施或通过采用向顶板、煤帮喷涂快速密闭材料进行封堵,达到了有效封堵采空区“封得好”的目的。

(三)在线监控,及时分析观测数据优化设计是成功留巷的保障。

一是强化沿空留巷数据观测。强化各类沿空留巷数据观测,制定各类观测方案,包括顶板离层监测、留巷表面位移观测、锚索受力和变形量监测、单体支柱(或超后支架)受力及缩量监测、超前应力集中区监测、沿空侧巷帮侧向压力监测、瓦斯、CO及漏风监测等。在工作面回采过程中,对工作面前方煤壁内超前应力集中区监测,掌握采场超前应力影响范围及强度。对巷帮侧向压力的监测,掌握巷帮侧向压力变化规律,监测数据实时传输至井上电脑终端,用于系统分析应力变化情况。

二是加强观测资料的分析应用。日常工作中加强观测资料的分析应用,形成“初始设计—数据观测—修改设计—再观测—再修改”的逐步完善程序。通过强化各类沿空留巷数据观测,分析留巷各种参数,不断优化留巷各环节设计。

新矿集团自2017年开展新型沿空留巷以来有效留巷进尺36646m,通过观测数据分析,巷道顶底板平均变形量较原矸石带垒砌留巷减少200-350mm,两帮平均移近量减少350-400mm,减小了后期留巷返修工程量,降低工人劳动强度。新型沿空留巷工艺应用范围已扩展到多数主采煤层,实现了采区单翼逐面无缝接续,采区回收率提高了9%,降低了掘进工程量,有效缓解了生产接续;零煤柱留设,消除煤柱应力集中,避免了采掘相互影响,降低了冲击危险;实现“Y型”通风,解决了上隅角瓦斯超限,有利于灾害防治,具有较大的社会经济效益。2019年新矿集团规划推广新型沿空留巷工艺留巷25000m,力争30000m。届时,留巷比例将占全葡京娱乐场69096回采巷道的20%左右,能有力保证工作面顺序接续,简化生产布局,合理控制水平、煤层、采区、采掘工作面数量 。

二、智能化连采连充盘活了浅部和各类煤柱资源,实现了老区矿井向浅部采场的转移。

连采连充工艺是解放新矿集团老区压覆资源、消化巨量矸石、置换提升产能、实现安全生产的重要手段。在省内外示范工程带动下,连采连充采煤法获得国家煤监局和省煤监局领导的认可,为技术推广应用创造了条件,为应对新的产业政策风险和环保风险及实现重大灾害防治提供了技术支持。今年上半年新矿集团五对矿井先后实施了连采连充采煤法,累计完成充填开采以矸换煤量88万吨。

(一)连采连充工艺研究

连采连充结合了美国、澳洲广泛应用的短壁连续采煤技术(旺格维利采煤法),坚持采充同步设计,采为充,充为采,追求两者的协调高效。借鉴其短壁高效开采方法,利于顶板控制和交替作业;改造工作面布置方式,解决通风和安全出口的问题。

裕兴煤矿与中国矿业大学(北京)委托中国煤炭工业协会组织了“年产百万吨连采连充工作面”技术鉴定,由三名中国工程院院士亲自出席,给予“为绿色开采提供了技术支撑”和“国际领先”的评价。相关论文已多次在国际和国内期刊发表,受到了国内外普遍认可。在技术创新过程中,新矿集团坚持了“兼容并蓄、优化组合、核心突破、目标引领、梯次递进、良性循环”的研究和实践方法,已实现连采连充工作面“11553”生产组织目标模式,即“一面一机、月产5万吨、充填5万吨、用工30人”,其中用工包括地面至井下所有采煤、充填、检修人员。通过充实率和充填强度两大关键指标综合控制,开采两层煤合计12米厚,四年共计开采12个工作面,测得地表最大下沉值200mm,均在地表沉降控制I级标准范围内。

孙村煤矿、翟镇煤矿、协庄煤矿在新汶矿区薄及中厚煤层、应力集中区、地表密集建筑群的工广和井筒压覆煤层中建成连采连充工作面,重点解决遗留煤柱回收难题。通过试采,验证了对新汶矿区孤岛煤柱充填开采的可行性,连采连充实现了分块切割、小能量释放、快速充填接管顶板、强度和密实度充分保证等控制。

长城六矿应用连采连充采煤法,重点解决煤层倾角较大的问题。

(二)连采连充使用效果

新矿集团分别在省外新区和省内老区开展了试验性开采,取得了较好效果。一是顶板管理方面。因连采连充实现了分段切块式采煤,采后即充、全采全充、固体胶结,顶板管理是在全锚固基础上再充填接顶,可以做到直接顶不断裂,充填体在吸收和转移应力方面比较有优势,充填体与围岩呈现“同步响应、共同增强”的响应特征更明显。孙村煤矿充填面已在浅部煤柱试采半个工作面(10000m2),地面未观测到下沉,工作面充填体充实率和强度分别达到95%和6MPa,无任何裂缝和片落。裕兴煤矿开采近五年来,安全采出煤炭400多万吨,地表变形完全在设计范围,实现了与生态园区的协调发展。二是防灭火管理方面。裕兴矿全矿井连采连充,取消了自燃发火煤层必备的注氮注浆和束管监测系统。三是水害治理方面。顶底板上下三带缩减为一个弱缓沉带,含水层得到有效保护。四是辅助运输方面。裕兴矿全矿井连采连充,辅助运输大幅简化,一部单轨吊解决全矿辅助运输问题。五是智能化建设方面。孙村煤矿连采连充工作面每个生产班只有6人,裕兴矿全矿井每天下井总人数170人,年充填采煤百万吨。

(三)全力推进智能化高效连采连充工作面建设

智能化高效连采连充工作,通过系列机器人和配套自动化生产系统,实现工作面支巷采煤无人、充填无人,支巷作业快进快出快充,科学设计支巷断面,取消支巷顶帮支护,采煤效率将大幅提升。

1.做好目标引领。规划在新区建设连采连充“11883”生产组织模式,即“一面一机、月产8万吨、充填8万吨、用工30人”的百人百万吨连采连充工作面。在老区建设“11332”生产组织模式,即 “一面一机、月产3万吨、充填3万吨、用工20人”的高效连采连充工作面。

2.做好装备支撑。下一步聚力攻关智能化高效连采连充工作面的关键技术研发,为提升连采连充采煤技术的安全性、适应性和高生产效率做技术支撑。重点研发:一是连续掘进机器人,实现远程可视化“一键启动”自动截割操控;二是后配套连续运输机器人,实现全顺槽连续运输生产不间断;三是充填下端头液压快速封堵机器人,实现充填安全高效封堵。四是充填上三角高效密实充填机器人,实现近水平煤层的高效充填。

3.做好技术支持。充分发挥充填开采国家工程实验室作用,聘请知名专家、院士形成产学研有机结合的科技创新体系。聚力攻关大埋深、厚松散煤层和承压水上开采,以新巨龙公司的铁路下压煤和赵官矿面对的承压水威胁,村庄及构筑物搬迁难度大、费用高、周期长的现状,在连采连充开采技术工艺方面进行积极探索和实践,突破一批绿色开采的共性和关联性技术问题。

三、新型主动超前支护系统—— 提高回采巷道支护强度,降低支回工作量和劳动强度。

为提高工作面超前主动支护强度,实现上下端头无人化作业,新矿集团颠覆思路,反复论证和现场试验,首次在采煤工作面上、下两巷创新应用了集顶板支护、围岩实时在线监测于一体,以“注浆锚索桁架粱+矿压在线实时监测”为主要支护方式和监测手段的新型超前支护系统,并得到上级主管部门认可和兄弟单位的广泛学习推广。

(一)工艺概况

坚持以遵守规程、安全可靠、积极稳妥三大原则为前提,在薄及中厚煤层以“注浆锚索桁架粱+矿压在线实时监测”为主要支护方式和监测手段的新型超前支护系统,逐步替代了单体液压支柱、架棚等传统超前支护形式,提高了回采巷道支护强度,减少具有冲击地压等灾害工作面两巷用人,降低巷道返修量、两巷支回柱工作量和职工劳动强度。

(二)使用效果

1.应用范围广。孙村、良庄、华丰、协庄、潘西、翟镇、鄂庄、新阳、赵官、长城二、长城三等13对矿井30个工作面开展了替代超前单体液压支柱工作,应用了“注浆锚索+”新型超前支护,提高了支护强度,减少生产用人。

2.应用效果好。试验“注浆锚索+”新型超前支护的工作面成功推采8000m,通过围岩变形观测,工作面平均顶底板移近量124mm。

3.降低劳动强度。13对矿井30个工作面累计单班取消超前支护工110人,平均单班单面减员3人,累计减少了支、回单体支柱46275棵,降低了职工劳动强度,明显改善作业环境。

4.监测手段齐全。为确保“注浆锚索+”新型超前支护可靠性,多数矿井普遍使用围岩松动圈监测、巷道表面位移监测、锚索受力监测、应力在线监测系统、微震监测系统、十字观测、顶板离层仪监测等至少三种以上监测手段,确保超前支护的安全可靠性。

5.释放作业空间。成功推广应用“全锚索+”新型超前支护系统后,取消了传统超前支护,采煤工作面上、下两巷空间明显增大,利于单轨吊、卸压钻车等较大设备运行至端头,同时满足了安全操作空间需求,便于安全施工。

各位领导,虽然我们在减人提效、科技创新等方面做了一些工作,取得一定成效,但放眼当下,新技术层出不穷,新业态风起云涌,新模式百舸争流,创新驱动发展的战略任重道远,许多课题刚刚提出,许多难题需要攻关。我们将以此次会议为契机,认真学习兄弟单位的先进做法和成功经验,在能源集团坚强领导下,落实“谋久调优、内涵提升”的工作主体,以智慧矿山建设引领打造动能转换、转型发展新标杆,为能源集团打造全省“首强”企业作出积极贡献。

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