[01143009]深部沿空巷道失稳能量机理与卸固协同递进式控制关键技术

本项目属于矿山支护工程、矿山压力工程学科领域。 我国超过 1000m 埋深的煤炭储量约占已探明总量的 51%。随着向深部开采转移,留煤柱开采不仅浪费大量煤炭资源,而且易造成应力集中并引起冲击地压等灾害,而无煤柱开采作为具有回收率高、掘进工程量小、消除煤柱应力集中等优点的技术,逐步成为深部开采必由之路。然而,随埋深增加沿空巷道围岩呈现出不对称性变形日趋严重,支护困难。如何破解支护难题,已成为制约深部推广无煤柱开采的瓶颈之一。 深部无煤柱沿空巷道围岩控制需要攻克的难题主要为：①如何揭示深部两次采动应力下沿空巷道围岩发生剪胀扩容破坏失稳机理,并建立能量判据;②如何解决深部不同类型围岩条件巷旁支护适应性差问题,研究获得与覆岩运动相适应的巷旁支护理论和设计方法;③如何解决煤体内卸压对围岩支护结构破坏与围岩加固提升支护能力之间的矛盾,确保“卸与支”达到最佳匹配。为此,经过近 10 年的产学研联合攻关,本项目形成了集“理论创新、技术突破与支护材料研发”于一体的深部沿空巷道围岩“卸让抗”协同控制关键技术成果,主要体现在以下 3 个方面： （1） 从揭示深部受采动全过程沿空巷道围岩积聚变形能的演化规律出发,获得了实体煤帮变形能积聚释放及驱动失稳力学机理,获得了“巷旁－煤帮－顶板”系统失稳的能量判据,发展了深部沿空巷道围岩控制理论。 （2） 针对深部沿空巷道巷旁支护易破坏失稳、控制难度大这一现实,构建了让抗相济的“给定-限定”组合式沿空巷旁支护力学模型,并发明了坚硬顶板、强扩容流变围岩、中等稳定顶板三种典型条件下的巷旁支护技术与支护设计方法。 （3） 针对深部沿空巷道实体煤帮在采动应力作用下出现强扩容变形破坏并易诱发动力失稳问题,一是发明了分段扩孔卸压技术,促使煤帮内能量集中区向深部转移;二是发明了锚杆-锚索支护效能最优化设计方法,有效提升煤帮浅部破裂区承载能力,实现了“卸-固”协同控制的目标。 本项目授权发明专利 20 项,出版专著 2 部（获国家出版基金资助 1 部）,在国内外矿业类核心期刊发表论文 26 篇（国际和国内行业顶级期刊 10 篇）,取得了多项原创性研究成果,为深部无煤柱开采实践提供了理论与技术支持。经中国煤炭工业协会组织的专家委员会鉴定,“研究成果达到国际领先水平”。研究成果近 10 年来相继在京西、新汶、临沂和大同等矿区 15 个深部煤矿的 160 多条沿空巷道成功应用。实践表明,沿空巷道围岩不仅得到有效控制,消除了因煤柱应力集中而诱发的动力灾害,安全性好;而且煤炭回采率提高 12%左右,巷道掘进率降低 30%以上,经济和社会效益显著,推广应用前景广阔。其中,近三年应用本成果共计成功留巷 94 条合计 83180 多米,多回收煤炭 1200 多万吨,为矿井新增产值 90.8 亿元,新增利税 36.3 亿多元。