浅埋煤层大采高顶板结构灾变与采防治研究v20

1附件1天地科技“公司研发项目”项目申请书项目名称：浅埋煤层大采高综采顶板结构灾变与防治研究项目类别：技术创新基金项目项目负责人：李勇项目承担单位：北京天地华泰采矿工程技术有限公司项目参与单位：起止时间：2011年7月至2013年12月申请日期：2011年3月二〇一〇年制2编写说明1.项目承担单位负责项目申报。2.项目类别指：天地科技科技发展基金项目6类之一：技术创新基金、青年创新基金、工艺技术创新基金、标准化基金、检验检测基金、学术著作出版基金；3.基本信息表中项目负责人工作简历从本科（大专）毕业后写起。4.基本信息表中主要完成人栏不包含项目负责人。5.基本信息表中主要完成人栏的单位/部门可写简称。6.因基金项目6个类别采用统一的申请书，申请书正文提纲列了8个方面，且顺序已固定，请申请者根据项目类别突出重点。没有或不需要写的内容，请在标题后注（略）。3一、基本信息项目名称：浅埋煤层大采高综采顶板结构灾变与防治研究类别：技术创新基金项目承担单位北京天地华泰采矿工程技术有限公司项目参加单位西安科技大学项目负责人信息姓名李勇性别男出生年月1967.05职称高级工程师学历本科学位学士手机[phone]电话84264135-106电子邮箱所学专业采矿工程业务专长采矿工程与管理工作简历1995年7月—2003年3月兖矿集团公司东滩煤矿综采一区技术员、工程师、技术主管2003年4月—2007年5月兖矿集团公司东滩煤矿生产技术科主管工程师、副科长2007年6月—2008年12月兖矿集团公司东滩煤矿综采工区党支部书记2009年1月—2009年9月北京天地华泰采矿工程技术有限公司纳二矿项目部生产副总2009年10月—北京天地华泰采矿工程技术有限公司纳二矿项目部副经理兼总工程师主要研究内容采矿实践推动采矿理论发展，随着鄂尔多斯地区煤炭资源开发强度的加大、技术装备的重型化以及煤炭企业投资主体多元化，特别是民营企业突飞猛进，该区域煤炭资源的可持续绿色开采必然在采煤方法、设备选型、安全高效、资源采出率、环境保护、人文社会等方面对采矿学科发展及工程技术进步提出严峻挑战和创新要求。课题依托纳林庙二号煤矿浅埋大采高综采工程实践，对上覆黄土层薄基岩浅埋煤层大采高综采工作面顶板及上覆岩层垮落特征、矿压显现规律与地表塌陷过程进行研究，综合运用物理相似模拟实验、数值模拟和现代采矿关键层理论与工程岩体力学等理论，对上覆黄土层薄基岩浅埋煤层载荷传递效应、顶板岩土体破裂过程、裂隙场发育、结构特征及失稳过程等机理进行研究，结合示范工程采场顶板岩层控制技术实践，建立典型破坏阶段相关力学模型，提出浅埋大采高综采工作面支架工作阻力计算公式，揭示纳林庙二矿复杂矿压显现特征的影响因素，给出采场顶板灾害预测预报的技术方法。该项研究工作对该地区类似煤层条件下开采实践提供指导，具有一定理论意义和应用价值，并为建立浅埋煤层大采高顶板控制理论奠定基础工作。考核指标国家专利1项、提高资源回收率、减轻采动环境影响、核心期刊论文3篇、研究报告1份、浅埋大采高综采安全开采示范工程1项经费总预算/万元45专项经费/万元20研究起止年限2011年7月至2013年12月经费年度计划第一年第二年4/万元专项经费自筹经费专项经费自筹经费152055二、申请书正文申请书正文按照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，重点突出。1.立项依据（包括项目必要性、国内外研究概况及发展趋势、研究意义、主要参考文献目录）㈠选题的背景煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。煤炭工业是我国重要的基础产业。长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费构成中均占2/3以上[1]。根据国家计委近期的研究预测，2005年，煤炭将占全国能源消费总量的63﹪，2015年不会低于55﹪，2050年也将不低于50﹪[2]。据全国第二次煤田预测，新疆、内蒙古、山西和陕西四省（区）占全国资源总量的81.3﹪[3]。西部大煤田的开发建设，将为西部大开发奠定良好的能源基础。西部煤田中相当一部分在开发初期主要开采距地表较浅的浅部煤层，最典型的是东胜、神府煤田。鄂尔多斯盆地是世界八大煤田之一，其含煤面积横跨内蒙、山西和陕西三省区域。其储量多达2300亿t，占全国总探明储量的22.6%，远景储量10000亿t，占中国预测储量的21.9%，是我国优质动力煤出口基地，国家重点开发的煤炭基地之一。该地区煤层以厚和特厚煤层为主，煤质好，品种多，具有“三低一高”（低灰、低磷、低硫、高发热量）的特点，属于特低硫环保煤，煤田地质构造简单，埋藏浅，煤层赋存稳定，煤层倾角2°～5°，很少有断层、褶曲，水文地质条件简单，瓦斯含量较少，易开采，开发成本低，具备建设大型和特大型矿井的条件。然而，受历史、观念等诸多因素影响，鄂尔多斯地区煤炭开采工业化程度较低，90%以上煤矿仍沿用落后的爆破房（柱）式采煤方法，回采率仅30%左右，造成巨大的资源浪费，且井下多存在火烧区形成了开采隐患，也造成了严重的环境污染。但先进的综采、综放工艺在本地区5无论是实践上、还是理论研究上都是刚刚起步，甚至是空白，具有很大的挑战性。因此，推广安全高效开采方法，实现采煤方法的跨越式创新，建设资源节约型、环境和谐型社会将是鄂尔多斯地区亟待解决的一件大事[4]。神东矿区目前及今后相当一段时期内，各矿开采区域大部分集中于埋深在200m以内的浅部。神东矿区煤层赋存的突出特点是埋藏浅（200m以内）、顶板基岩薄（50m左右）、地表为厚风积沙覆盖层和黄土覆盖层，属于典型的浅埋煤层和近浅埋煤层。开采实践表明，主要存在两大岩层控制问题，其一是顶板地层垮落直达地表，形成切落式破坏，顶板压力剧烈，工作面顶板失控而形成的台阶下沉达到1000mm，造成支护设备压毁，工作面停产等事故，出现了严重的顶板灾害；其二，开采地表塌陷形成大量地表地堑和裂缝，造成地表水资源流失严重，加剧了地表荒漠化。矿区开发初期，地表植被破坏面积就达126.6万亩，年增加水土流失量2780万吨，频繁的沙尘暴已经为我们敲响了警钟。国家环保总局在荒漠化治理规划中，将神府—东胜—准格尔煤田采动沙区环境治理和毛乌素沙漠南缘长城沿线沙地煤田开发环境破坏作为重点治理区域。因此，我国西部大煤田的开发为浅埋煤层岩层控制提出了急需解决的新课题[5]。为了实现高产能，目前矿区推行大采高快速推进综合机械化长壁开采方法，实践表明，受风化的浅埋煤层基岩顶板的破坏具有特殊性，顶板载荷异常明显，严重影响工作面的安全高效生产。为了应对这种顶板灾变，矿区不断增大支架的支撑能力，从过去的350t/架，增大到670t/架，又增大到880t/架，工作面装备投资直线上升。然而，工作面顶板仍然出现失控，神东矿区的部分液压支架的支护能力已经上千吨[4]。采用目前的岩层控制理论难以揭示这些现象的机理。大采高浅埋煤层工作面顶板来压灾害的机理何在？顶板结构特征究竟如何？其“支架-围岩”关系如何确定，顶板控制究竟向何处发展？是摆在岩层控制界面前的难题。其根本原因，是目前对顶板破坏的结构形态以及结构灾变失稳的机理等基础性科学问题认识不清清，这正是本课题申请攻克的目标。北京天地华泰采矿工程技术有限公司与伊泰集团公司合作开发的纳林庙二矿，年产原煤600万t/a，是鄂尔多斯地区第一个全部采用国产设备装备的大采高（厚5.3m）的综采机械化矿井。自2006年10月投产以来已回采8个工作面，生产原煤2000多万吨，在不断攻克现场技术难题的基础上，完成集团公司科技发展基金项目3项，获得公司“五小创新”成果5项，获国家知识产权局专利3项，基本实现了安全、高效、6稳产、低耗的生产运营目标。纳林庙二矿大采高综采技术与工程实践为该地区综采工艺推广应用与浅埋煤层综采长壁开采理论研究奠定了实践基础[6]。㈡论题的提出及意义⑴浅埋大采高综采实践探索由于历史、观念、政策等诸多因素，本世纪初期鄂尔多斯地区煤炭开采工业化程度相对较低，90%以上煤矿仍沿用落后的爆破房（柱）式采煤方法，回采率仅30%左右，造成巨大的资源浪费，且井下多存在火烧区形成了开采隐患，也造成了严重的环境污染。鄂尔多斯地区煤层覆岩的基本特点是浅埋深、薄基岩、厚砂土层，由此引发特殊矿山压力显现规律,对传统矿压理论的挑战，被采矿工程师及理论研究者定义为浅埋煤层。先进的综采、综放工艺，特别是全套国产综采设备系统在本地区的应用无论是实践上、还是理论研究上都是刚刚起步，甚至是空白，具有很大的挑战性。采矿实践推动采矿理论的发展[3]，随着鄂尔多斯地区煤炭资源的开发强度加大、技术装备的重型化以及煤炭企业投资主体多元化（特别是民营企业突飞猛进）和特殊的煤层赋存条件决定了该区域煤炭资源的可持续绿色开采必然在采煤方法、设备选型、安全高效、资源采出率、环境保护等方面对采矿科学及工程实践提出了严峻挑战和创新要求。2006年，煤炭科学研究总院（天地科技）在科学研究与技术论证的基础上，为纳林庙二号煤矿在采煤方法上，排除了分层综采与综放开采方法，确定了大采高综采方法；在设备选型上，排除了采用进口设备的方案，全部选用了国产先进综采装备。这是鄂尔多斯地区第一次采用全套大采高国产装备综采工作面，如何控制采场岩层运动引起的严重矿压显现，保障工作面在初采、末采、搬家倒面等关键作业环节的安全与高效，并研究国产装备的可靠性与延长使用寿命研究等课题都具有很强的实践开拓性和探索性。⑵矿山压力控制理论的继续发展根据东胜煤田浅埋煤层开采实践和前人理论研究，浅埋煤层可分为两种类型[7-8]：一种基岩比较薄，松散风积砂载荷层厚度比较大，其顶板破断为整体切落式，易于出现顶板台阶下沉，此类厚松散层浅埋煤层称为典型的浅埋煤层；另一种基岩厚度比较大，地表砂土松散层厚度比较小或黄土层覆盖的浅埋煤层，其矿压显现规律介于普通7工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两（多）组关键层，存在轻微的台阶下沉（但整体性强的）现象，称为近浅埋煤层。传统的矿压控制理论关于顶板载荷分析中：一是把关键层上的垂直压力简化为均布载荷，且以静载处理；二是传统的采场岩层控制研究主要对象是采场基本顶的运动、失稳控制上；三是开采沉陷的研究主要从地表岩移测量建立数学模型，很少涉及岩层塌陷过程及运动对采场工作面矿压显现的耦合作用影响。因此，浅埋煤层大采高顶板灾变及防治研究对于浅埋煤层采场安全灾害控制以及对于地表破坏控制、水资源保护与利用等都具有重要的理论与应用价值，对于神东等浅埋煤层赋存条件的矿区开发建设具有重要的实践意义。采矿实践推动采矿理论发展。浅埋煤层大采高顶板结构灾变与防治研究是研究浅埋煤层支架选型，地表破坏以及水资源保护的核心问题，具有理论基础作用。课题研究从采动基岩破损特性入手，通过实测和模拟认识基岩岩层的破坏过程和结构特征；用岩石力学实验和模拟岩层方法，研究破断岩层的块体铰接特征及其定量关系；采用物理和数值模拟，论证岩块体结构块体的接触的稳定性和块体自身的稳定性及结构演化。过去的结构分析一般按照坚硬的关键层考虑，不涉及破断块体的再破损（断），本次研究将考虑基岩块体铰接行为过程中的破损及其结构“演化”，建立顶板结构及其演化力学模型，分析结构动态演化过程的稳定性和顶板裂隙场的发育规律，揭示顶板来压强烈和动载机理，为顶板控制提供理论基础，对保证采场工作面采掘安全具有重要意义。本课题着手于大采高综采工作面初采、末采及搬家倒面等现场工程实践难题，分析总结了保障安全、高效生产的技术方法，揭示了纳林庙二矿煤层特殊赋存条件下工作面矿压灾害的发生机理与诱发因素，对纳二矿4＃煤层安全开采具有重要实践指导意义。㈢浅埋煤层采场岩层控制理论与工程实践发展现状⑴采场岩层控制理论及其发展19世纪后期到20世纪初，出现采场矿压假说，开始利用比较简单的力学原理解释实践中出现的一些矿压现象，具有代表性的是认为巷道上方能形成自然平衡拱的“压力拱假说”。20世纪30年代至50年代以连续介质力学理论为基础，把巷道周围直到地表的整个岩体作为连续的各向同性的弹性体来进行研究和建立假说，利用弹性力学理论研究矿山岩石力学问题。以后又考虑了非均质和各向异性对理想弹性体的影响以及层状岩