煤炭工程学院“十四五”期间科研平台建设

煤炭工程学院“十四五”期间科研平台建设

“十四五”期间，煤炭工程学院拟依托大同市煤炭安全开采智能化工程技术研究中心，瞄准煤炭集约绿色开采方向，建设“无煤柱开采与灾害防控”山西省工程（技术）研究中心，具体研究内容主要包括以下几个方面：

（1）中厚煤层沿空留巷巷道围岩稳定性研究

（2）沿空留巷切顶聚能隔振爆破机理及其关键技术研究

（3）无煤柱综采工作面防灭火技术研究

（4）煤炭自燃高分子乳液阻化剂制备与应用研究

（5）采动影响下煤岩电性特征及物理模型研究

（6）重复脉冲强冲击波增透煤层机理及技术研究

（7）胀裂自锁可回收新型结构体系锚杆成套技术研究

（8）煤层群条件下下位煤层煤层气赋存特征及开发机理研究

无煤柱开采与灾害防控山西省工程（技术）研究中心具体建设意义、建设内容和建设目标如下：

一、建设意义

煤炭是我国的主要基础能源，在一次能源结构中占据主导地位。然而，随着煤炭资源的大规模开采，浅、中部煤炭资源越来越少，我国很多矿区相继进入了深部开采状态。此时，留设区段煤柱的传统工作面布置方式不仅造成煤炭资源的大量浪费，护巷煤柱在工作面回采后还会形成较高应力集中，极易引发冲击地压﹑煤与瓦斯突出等动力灾害。因此，在煤炭资源日益紧张、煤矿开采深度逐渐增加的双重形势下，煤矿开采技术及工作面布置方式亟待优化。

沿空留巷技术作为一种无煤柱开采方式，可在工作面回采布置时取消区段煤柱留设，将上一区段顺槽通过沿空维护供下一区段继续使用，能有效解决煤炭资源浪费、顺槽灾害频发等问题，具有提高采区煤炭采出率、延长矿井服务年限、减少巷道掘进作业量、简化工作面接续程序等优点。然而，传统沿空留巷主要通过巷旁支护、巷旁充填等技术实现，由于充填体快速充填及巷道稳定性控制问题难以有效解决，实践中留巷施工相比工作面回采推进往往存在滞后性，且成本较高、工序复杂，严重制约沿空留巷技术的应用和发展。

以此为基础，何满潮等于2008 年进一步提出基于短臂梁理论的无煤柱自成巷技术，即通过切顶卸压主动改变巷道顶板和采空区顶板的结构形态，利用采空区顶板的垮落碎胀实现沿空护巷和无煤柱开采。近年来，该技术已在多矿试验成功，如：孙晓明等以南屯煤矿1610 工作面作为工程实例，详细阐述了薄煤层切顶卸压自成巷关键参数的设计方法；郭志飚等以嘉阳煤矿3118 工作面为例，针对顶板预裂切缝参数及配套技术进行了深入研究；张国锋等在唐山沟煤矿的切顶卸压技术试验推广应用中，总结出了恒阻大变形锚杆(索)＋巷旁锚索加强支护＋巷旁密集单体液压支柱加强切顶联合支护技术。无煤柱自成巷技术有效解决了沿空留巷围压高和支护难两大难题，留巷效率大幅提高、成本大幅降低，大大提高了沿空留巷工艺的适用范围。

窄煤柱沿空掘巷的实质是沿上工作面采空区边缘留窄煤柱（1～6m）掘进巷道。在国内，窄煤柱沿空掘巷在简单地质条件下矿区已得到较广泛的应用，其围岩控制的中心思想基于“巷道布置在采空区侧的低应力区，同时窄煤柱有一定的自承能力”，例如窄煤柱宽度设计主要依据采空区侧向支承压力分布而定，而围岩控制多采用均称支护方式，在技术的应用上缺乏适用性。

国内外众多学者基于采场顶板结构及运动规律为基础，采用多种手段分析了煤柱稳定性，其重要依据是根据不同角度研究应力分布特征及围岩变形破坏状态。陆士良研究认为沿空留巷顶板裂隙带在经过急剧下沉后会达到平衡状态，其急剧下沉量决定了沿空留巷顶板的下沉量，沿空留巷顶板下沉量与工作面采高具有正相关性，一般为采高的 0.1～0.2 倍，且处于“给定变形”的状态。侯朝炯、李学华通过研究沿空掘巷围岩的变形破坏特点，创新性地提出了沿空留巷上覆岩体的“大小结构”，将基本顶倾斜方向形成的结构作为大结构，而将工作面端头形成的弧三角块作为小结构，认为大结构的稳定性决定了小结构的稳定性，而施加高的锚杆预应力和提高锚杆支护阻力可保持小结构的稳定性。吴绍倩、伍永平基于现场采场及沿空煤柱实际矿压监测规律，提出了无煤柱护巷开采技术，并把该技术应用和推广在实际矿井中。朱德仁研究发现长壁工作面在回采过程中，会在工作面两端头形成“三角形悬板”的结构，将沿空留巷围岩稳定性与工作面基本顶变形破坏规律紧密联系在了一起。刘长友等在分析沿空留巷现场矿压观测结果和巷道顶板岩层结构特征的基础之上，认为煤柱尺寸与工作回采形成的侧向支承压力峰值点位于煤柱的深度有关，只有当煤柱尺寸小于侧向支承压力峰值点位于煤柱深度的一半时，对于沿空巷道的稳定最为有利。孙恒虎利用相似材料模拟实验研究了沿空留巷围岩的全过程活动规律，认为支护的作用只要是抑制顶板的前期下沉活动，因此在进行前期支护应以顶板为主并兼顾帮部的支护原则，而后期支护应以让压为主。王卫军基于砌体梁理论，从能量的角度分析了沿空巷道围岩变形机理，对基本顶给定变形下的顶煤变形进行了求解，并分析探讨了顶板变形量和支护强度、体积模量、巷道跨度的关系。柏建彪通过分析沿空巷道在掘巷前、掘巷后及受采动影响时的结构稳定性，研究了弧形三角块结构的稳定性条件及对沿空巷道围岩稳定性的影响。

此外，国内外许多学者利用经典弹塑性区力学理论在简化一些实际条件的基础上，结合莫尔库仑强度理论建立了煤柱稳定性分析力学模型，对煤柱弹性区和塑性区的应力分布及塑性区尺寸进行了理论研究。目前采用的无煤柱开采技术在分区段非对称加强支护、切顶预裂聚能爆破技术、采空区防灭火、煤与瓦斯突出等关键问题仍尚未很好解决，亟需开展相关基础理论和工程应用方面的研究，提升煤矿无煤柱开采安全高效节能利用水平。

我省煤炭资料储量较为丰富，但绿色煤炭资源赋存相对较少，故我省绿色煤炭资源是相对有限、十分宝贵的，只有通过绿色煤炭的精准开发手段，采用无煤柱开采，尽可能地提高绿色煤炭的开发与利用效率，才能避免绿色煤炭资源的无端浪费。目前，大同煤矿集团有限责任公司（简称“同煤集团”）将在下属三十多个矿井大力推广无煤柱开采技术，我校与同煤集团建立了长期的战略合作协议，且常年拥有合作项目，已开展的无煤柱开采技术相对较为成熟，为矿方带来了较大的经济效益，如果同煤集团全煤推广无煤柱开采，将节约7亿吨绿色煤炭资源，延长集团矿井服务年限达6年以上，因此，无煤柱开采与灾害防控具有重要的工程研究意义和广阔的推广应用价值。

综上所述，无煤柱开采技术对于提高煤炭资源回收率，降低生产成本，有效缓解工作面接替紧张局面，实现矿井的可持续发展，具有重大的工程需求，并将得到大规模的推广应用。

二、研究方向和主要研究内容

（1）中厚煤层沿空留巷巷道围岩稳定性研究

基于巷道围岩大、小结构理论，开展沿空留巷巷道围岩地质力学评估及其稳定性分类，建立中厚煤层沿空留巷力学模型，确定沿空留巷关键技术，提出沿空留巷巷道锚杆锚索协同支护优化方案，结合现场观测，对沿空留巷的可行性进行评估。

（2）沿空留巷切顶聚能隔振爆破机理及其关键技术研究

研究切顶炮孔不耦合间隔装药聚能隔振爆破的爆破效应，揭示沿空留巷切顶聚能隔振爆破机理，研制双向聚能隔振爆破装置，开发非牛顿流体堵塞产品，提出切顶聚能隔振爆破新技术，形成适合煤矿沿空留巷切顶钻孔的聚能隔振爆破新工艺。

（3）无煤柱综采工作面防灭火技术研究

针对无煤柱综采工作面的地质、采矿和通风条件，以及开采煤本质特征进行调研，开展煤升温氧化实验、煤的吸氧量和吸氧速度测定及热重分析，研究煤自然发火预测预报标志气体及指标。研究无煤柱综采工作面不同位置漏风量和采空区自燃“三带”分布规律，分析随工作面推进采空区三维立体漏风规律，结合具体采矿、地质和通风条件，确定合理的工作面配风量、注氮量和阻化剂喷洒量，提出适用于同煤地区无煤柱综采工作面的煤自燃防灭火技术体系。

（4）煤炭自燃高分子乳液阻化剂制备与应用研究

开发一种防治煤层自燃的高分子乳液阻化剂，提出具有良好渗透性和成膜性的最佳高分子乳液合成工艺，通过喷洒、注入等方式施加于采空区煤层表面，形成柔韧、致密的高分子薄膜，从而阻隔氧气与煤炭接触，避免出现氧化自燃及CO超标（维持在24ppm以下）现象，有效地防止煤炭自燃。

（5）采动影响下煤岩电性特征及物理模型研究

研究砂岩、泥岩和煤体等在模拟地层受力条件下全应力应变过程的电性参数响应规律，揭示不同岩性下电性参数与微裂纹损伤的联系；利用矿用侧向电阻率视频成像测井仪，系统分析不同采动影响下电性参数测井曲线，建立煤岩纵波波速与孔隙度、泥质含量、采动应力的关系式及电阻率与采动应力模型，探究不同采动影响下煤岩强度应力比的分布规律，为煤矿开采精准地质探测及灾变预警提供理论基础。

（6）重复脉冲强冲击波增透煤层机理及技术研究

采用脉冲冲击波转换方法建立室内实验平台，开展脉冲冲击波作用下煤岩致裂增渗模拟实验，对比分析波动作用前后煤岩孔隙性、渗透性和吸附－解吸性的变化规律，建立相关数学模型；结合压汞、X-CT、力学性质等观测手段，发现脉冲冲击波载荷与煤层致裂效果之间的关系，建立脉冲冲击波参数与煤岩渗透率变化之间的数学模型，探讨脉冲冲击波增渗机理，并形成重复脉冲强冲击波增透煤层技术。

（7）胀裂自锁可回收新型结构体系锚杆成套技术研究

研发新型胀裂自锁可回收结构锚杆，设计旋转退锚锁具机构，探讨可回收锚杆的受力机理和破坏形式，获得可回收锚杆的锚固体与围岩之间的界面剪应力分布和传递规律，形成胀裂自锁可回收新型结构体系锚杆成套技术。

（8）煤层群条件下下位煤层煤层气赋存特征及开发机理研究

研究采空区下伏卸压煤层煤层气赋存特征，建立渗透率动态变化模型，揭示采空扰动下的煤层气开发机理，提出不同地质条件下的钻完井关键层位优选方法，建立适用于不同扰动范围的压裂、排采模型。

三、建设目标

工程研究中心是实现科学研究的平台和载体，是科研人员从事科研活动的重要场所，其宗旨在于以重点工程研究中心及重点研究基地为依托，进行科学研究和人才培养。依托大同大学煤炭工程学院相关学科领域的研究发展优势，充分创造“公平、竞争、流动、开放”的科研氛围，确保工程研究中心“有效建立、快速发展、稳步提高”。实现各种科研资源重新组合、优化配置，打破自我封闭，建成全国性、区域性和开放性的平台。主要从学术、基础设施、队伍建设、人才培养和国际交流五个方面进行规划建设。依据工程研究中心的定位和发展方向，建成我省煤炭安全开采研究领域具有创新特色、学科布局合理、组织构架有效运行的工程研究中心。

目前，本研究中心预期目标是成功建成“山西省无煤柱开采与灾害防控”工程研究中心。建设地点设在大同大学煤炭工程学院。在这个预期目标的制定下，开展工程研究中心建设，整合优势资源、积聚优秀人才、壮大科研实力、提升研究水平。按照优化结构、合理布局、突出重点、兼顾基础研究和应用研究的要求，建设成国内具有一定影响力的省级重点工程研究中心，围绕上述主体研究方向进行关键技术的平台建设和实验室装备能力建设，将本技术研究中心初步建设成为国内领先的基础性、跨学科、开放式的煤炭安全开采智能化的研究机构，成为国内无煤柱开采与灾害防控相关研究领域的科技创新、人才培养和学术交流的基地。预期每年培养硕士研究生15名，发表中文核心及以上论文15篇，申请国家发明或实用新型专利5～10项，获批科研项目9项，获奖3项。力争使本工程研究中心具有明显的科研优势和特色，整体科研水平在山西省乃至全国学术界享有较高声誉。