《煤矿顶板动力灾害的充填防治理论与关键技术》

该项目属煤矿开采与矿山安全交叉学科,主要针对中国煤矿普遍存在的坚硬顶板开采条件,解决由顶板引发动力灾害造成的矿山安全问题以及受动力灾害威胁煤炭资源浪费等问题。

煤矿顶板灾害起数和死亡人数长期以来一直位居各类灾害的首位,而动力灾害是其中危害大且易于造成伤亡的灾害之一,顶板动力灾害是由坚硬顶板大面积悬顶和突然垮落造成的能量积聚或剧烈释放引发,主要包括冲击地压、煤与瓦斯突出和大面积冒顶引发的采空区飓风等形式,据不完全统计,2010年至今,共发生此类灾害69起,伤亡585人。中国有近40%综采面属于坚硬顶板工作面,超过50%的矿区开采受顶板动力灾害影响。以山东唐口煤业有限公司930采区为例,该区域主采3上煤层,可采储量406.7万t,上覆岩层中存在9m~28m厚度不等的坚硬岩层,经鉴定该区域具有强冲击倾向性,开采过程中易发生冲击地压灾害。针对上述问题,山东唐口煤业有限公司与中国矿业大学开展产学研合作,联合攻关“煤矿顶板动力灾害的充填防治理论与关键技术”,在基础理论、设备研发和工艺设计等方面均取得突出研究成果,成功应用于山东唐口煤业有限公司和济三煤矿,并推广至河南多个煤矿。

主要研究成果如下:(1)提出了煤矿顶板动力灾害的充填防治新方法,揭示了顶板动力灾害的致灾机理,研究了充填工作面的能量演化规律及区段煤柱对能量积聚的影响,给出了充填防治顶板动力灾害的控制关键及设计方法。(2)研究了夯实主控因子对矸石充填材料密实度的影响规律,优化设计出了随动型二级夯实机构,开发了与充填工作面相配套的泵送、拌和巷旁充填支护两种沿空留巷方法。(3)在坚硬顶板下的冲击倾向煤层成功应用了充填开采技术,实测结果表明工作面未出现冲击危险预兆,实现了充填防治顶板动力灾害的目标。

该项目经历了多年的校企产学研联合攻关,共获授权专利10件,其中美国、南非发明专利2件、国内发明专利4件,国内实用新型专利4件;制定国家能源行业标准2项;发表学术论文10篇,其中SCI收录7篇。该技术已达到的技术指标如下:①采空区充实率达80.6%,开采过程中坚硬岩层未出现剧烈的能量释放现象;②实施泵送和拌和巷旁充填支护沿空留巷1308m;③成功应用于受顶板动力灾害威胁煤层的安全开采。

该项目以国家能源科技重大需求为基础,密切围绕煤矿安全生产和环境协调发展两大主题,解决了受顶板动力灾害威胁煤层开采问题,还可推广至其他需要控制顶板变形和工作面能量变化的区域,同时可以处理矿山废弃物,具有十分广阔的推广应用前景。项目由中国煤炭工业协会鉴定为国际先进水平;国家能源局、财政部、国土资源部和环境保护部联合发文在煤矿大力推广充填开采技术,并落实了针对充填矿井的资源税减免政策;全国政协委员、国家煤矿安全监察局局长黄玉治,在2019年“两会”期间建议出台强制标准,明确坚硬顶板下煤层必须采用充填开采技术。截止到2018年底,该项目共计新增产值5.5亿元,新增利润2.91亿元,取得的经济、社会和环境效益十分显著。

成果说明

“煤矿顶板动力灾害的充填防治理论与关键技术”提出了充填防治顶板动力灾害的控制关键及设计方法,实现了受顶板动力灾害威胁煤层的安全开采,其经济、社会和环境效益体现为:(1)形成了顶板动力灾害威胁煤层开采新方法;(2)解放受顶板动力灾害威胁的呆滞煤炭资源;(3)消除矿山废弃物地面排放造成的环境污染;(4)为类似条件矿井开采提供重要的技术借鉴。 项目完成单位山东唐口煤业有限公司930采区位于工业广场南部,采区储量406.7万t,主采煤层为3上煤层,平均厚度3.5m,埋深1082m~1222m,平均倾角10

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