煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想
深地资源开发是我国未来科技发展的重要方向[1]。煤炭是我国的主体能源，埋深 2 000 m 以浅的煤炭资源总量为 5. 9 万亿 t，其中埋深超过 1 000 m 的占 50%以上，主要分布在我国中东部地区，该地区的煤矿大部分已进入深部开采[2-3]。为保证中东部经济快速发展的能源供给，千米深井煤炭资源开发势在必行，这对于保障国家能源安全、支撑经济发展具有重要战略意义。与浅部煤矿相比，千米深井地应力高、采动影响强烈，导致巷道围岩变形大、持 续 时 间 长、破 坏 严重[4-5]( 图 1) ; 采煤工作面矿压显现强烈，煤壁片帮、顶板冒落及支架损坏现象突出[6]; 传统浅部低应力、弱采动条件下的技术无法解决千米深井围岩控制难题。智能开采是实现安全高效采煤的有效途径[7]。我国仅基于一些浅部且地质条件简单矿井进行了煤矿智能化开采研究与应用[8]，不适合高应力、强采动千米深井。为此，本文在国家重点研发计划项目“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”的资助下，分析了煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术现状和存在的问题，提出围岩控制及智能开采理论与技术构想及研发思路。
1 千米深井围岩控制及智能开采技术现状
1. 1 深部围岩控制技术现状深部围岩控制包括巷道和采场围岩控制两个方面。在深部巷道围岩控制方面，德国处于国际领先水平。德国煤矿最大开采深度达到 1 750 m，GTA 公司等开发出 U 型钢可缩性拱形支架、锚杆支护联合架后充填的围岩控制技术，在鲁尔、萨尔、亚琛矿区得到成功应用。该技术在我国安徽新集矿区也进行了井下试验[9]，如图 2 所示。德国技术的显著特点是巷道断面大( 平均 30 m2 ) 、工艺复杂、支护成本高昂，国内煤矿无法承受。美国、澳大利亚等世界主要产煤国家井工煤矿开采深度大多小于 600 m，地应力较低、采动影响较小，巷道普遍采用锚杆支护，围岩相对易于控制。强采动巷道进行柱式、垛式支架加强支护。该技术也不完全适合我国深部煤矿。
1. 2 智能开采技术现状在智能化开采方面，多个国家进行了技术研发。德国率先在长壁工作面采用电液控制的高阻力液压支架，并借助传感器、无线传输、光纤网路等实现采煤机三维导航，以及支架与输送机的自动控制。美国卡特彼勒公司开发出埋深 600 m 以浅、采高小于 6. 0 m 的长壁综采工作面智能化开采技术与装备，久益公司开发出 IMSC 长壁工作面远程智能控制分析系统。澳大利亚联邦科学院研发出 LASC 技术，将高精度光纤陀螺仪和惯性导航技术应用于工作面设备，实现了工作面自动割煤。我国的煤炭智能开采技术在“十二五”期间也取得了快速发展，开发出以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础，以生产系统智能化控制软件为核心的综采成套装备智能系统( 图 3) ，并在黄陵、神东等矿区得到成功应用[21]。
2 千米深井围岩控制与智能开采构想
针对煤矿千米深井围岩控制及智能开采面临的技术难题，围绕深部煤炭安全、高效开采，提出千米深井围岩控制及智能开采理论与技术构想，即综合考虑巷道和采煤工作面相互影响，以合理加大工作面长度( 350 m 以上) ，实现生产集约化，降低掘进率、提高煤炭采出率为思路，以“应力场―围岩变形―围岩控制―开采与围岩控制的智能化―井下试验”为主线，将地质学、煤矿开采、岩石力学、材料科学、机械工程及控制科学与工程等学科有机结合，研发形成千米深井巷道围岩支护—改性—卸压“三位一体”协同控制及基于千米深井超长工作面矿压规律的智能开采技术体系。主要包括千米深井巷道围岩控制、超长工作围岩控制和智能开采 3 个方面( 图 4) 。为此，需要深入研究解决围岩控制及智能开采关键科学问题，包括: ① 高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理; ② 高应力、强采动巷道围岩 “支护—改性—卸压”“三位一体”协同控制原理; ③ 千米深井超长工作面应力与覆岩结构演化机理; ④ 超长工作面多信息融合的智能开采模式。在突破关键科学问题的基础上，研发巷道超高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆支护—高压劈裂注浆改性—水力压裂卸压协同控制技术，超长工作面自适应群组协同控制智能开采技术。总体研究理论与技术框架如图 5 所示。
3 千米深井围岩控制及智能开采基础理论
3. 1 高应力强采动巷道围岩大变形机理煤矿千米深井巷道开挖后，围岩行为迅速表现为复杂的非稳态、非线性特征[22]，千米深井巷道围岩由浅部的稳态小变形转变为深部的强动压、长时强流变。目前的理论不能科学解释复杂多变地层千米深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。针对千米深井高应力、强采动的特点，从 4 个方面开展研究。一是从围岩自身角度研究千米深井围岩物性细观劣化机制、深部节理围岩物性劣化判据、深部节理围岩强度衰减规律，揭示出千米深井强采动巷道围岩劣化与强度衰减规律。二是根据千米深井强采动巷道开挖导致的侧向卸荷、竖向应力集中及强采动导致竖向加载的实际情况，研究提出巷道围岩侧向卸荷竖向加载应力路径模型( 图 6) ，通过大尺度真三轴物理试验和数值模拟等方法，研究深井强采动岩石的突变力学行为特征、巷道围岩应力分布与演化特征、巷道围岩裂隙场演化及其与应力场的关系，揭示出千米深井强采动巷道围岩应力梯度与偏应力诱导裂隙扩展规律。目前已采用数值模拟开展了偏应力诱导下巷道围岩扩容变形研究( 图 7) 。三是研究千米深井高地应力岩石流变的细观机制，研究揭示高地应力与强采动叠加作用下岩体流变效应及千米深井巷道围岩持续性流变大变形机理。四是研究高地应力与强采动叠加作用下巷道围岩结构失稳机制、深部破裂围岩巷道突发性非连续大变形机理，研究二次、多次动压影响巷道围岩变形破坏模式，从岩层结构上揭示出千米深井长时强采动巷道围岩结构失稳及破坏模式。
3. 2 巷道围岩支护—改性—卸压协同控制原理针对千米深井巷道围岩强流变、结构大变形的特点，在高应力及强采动影响下单一棚式支架或锚杆支护无法解决巷道围岩控制难题，将锚杆支护、注浆改性与卸压技术有机结合，形成“三位一体”巷道围岩控制技术，实现“三主动”: 预应力锚杆实现主动支护，高压劈裂注浆实现主动改性，水力压裂实现主动卸压。该技术是千米深井巷道围岩控制的有效途径。为充分发挥预应力锚杆的主动支护作用，弄清锚杆在井下的真实受力状态非常重要。巷道开挖表面不同程度地呈现出凹凸不平的形态，传统将巷道表面假设为平面进行锚杆及构件的受力变形研究无法体现井下锚杆实际受力状况。巷道开挖后锚杆在凹凸不平表面施加预应力过程中即处于拉、剪、扭、弯的复杂受力状态，工作面回采强烈动压进一步加剧了巷道围岩的扩容变形，引起锚杆破坏与失效[23-26]。为此，煤炭科学研究总院开采研究分院研制出国内外首套锚杆力学性能综合试验台( 图 8) ，可针对锚杆井下实际工况，在锚杆拉伸、剪切、扭转、弯曲及冲击载荷单项及复合载荷作用下，进行锚杆受力、变形与破坏试验。试验台主要参数为: 适用锚杆直径 16 ～ 25 mm，锚杆安装推进力 10 kN，锚杆预紧扭矩 500 N·m，拉伸试验载荷 400 kN，剪切试验载荷 500 kN，冲击能量 11 000 J。将试验结果与理论分析相结合，可建立锚杆复合应力状态下的力学模型，以揭示锚杆应力分布特征及破断机理。
4 千米深井围岩控制及智能开采关键技术
4. 1 巷道支护―改性―卸压协同控制技术基于千米深井巷道围岩大变形机理及支护―改性―卸压协同控制原理，研发巷道支护―改性―卸压协同控制技术，实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护，高压劈裂注浆主动改性，水力压裂主动卸压，通过“三主动”协同作用，解决千米深井巷道围岩控制难题。在千米深井巷道锚杆支护技术方面，针对千米深井巷道围岩变形大、变形有冲击性的特点，开发超高强度、大延伸率、高冲击韧性锚杆支护材料与构件。根据千米深井巷道围岩变形特征及支护要求，研究锚杆杆体强度、延伸率、冲击韧性三者之间的关系，确定锚杆杆体抗拉强度、延伸率及冲击韧性等力学指标，锚杆杆尾支护构件的几何尺寸及力学性能指标，研究锚杆构件的匹配性。开发锚杆钢材专用配方，优化炼钢与轧制工艺，开发锚杆钢筋热处理工艺与技术，研制出系列超高强度、高延伸率及高冲击韧性锚杆钢筋，锚杆杆体屈服强度达到 700 MPa，抗 拉 强 度 850 MPa，冲击吸收功 100 J 以上，断后延伸率 18%。研究杆体表面形状与尺寸对锚杆锚固效果及安装阻力的影响，确定最优的杆体外形尺寸。开发与超高强度、高延伸率及高冲击韧性锚杆杆体配套使用的托板、螺母、垫圈及钢带等构件( 图 17) ，使各构件力学性能与杆体匹配。在现有支护构件匹配性研究基础上[31-32]，开发锚杆支护构件匹配性实验台，测试锚杆杆体材料及杆尾各支护构件的变形协调性、强度匹配性，建立锚杆构件匹配性力学模型，进一步优化锚杆构件几何尺寸和力学性能。
4. 2 超长工作面自适应群组协同控制智能开采技术千米深井 350 m 超长工作面采用常规工作面支护系统难以满足围岩自适应智能支护要求。工作面长度增加后导致开采设备综合协调推进困难，极易诱发支护设备与围岩系统失稳的恶性循环。现有智能化综采工作面矿压监测信息与支护设备信息难以有效融合，无法实现中部液压支架与端头、超前液压支架的智能协同推进，制约千米深井超长工作面安全、高效智能化开采。千米深井超长工作面具有“深”和“长”两个显著特点，从而带来工作面动载频繁、下沉量大，以及分区破断、工作面支护参数不一致等问题。与浅部相比深部超长工作面要实现智能开采需重点解决 2 个难题: 一是设备的可靠性，提高抗冲击性能; 二是支架个体控制的精细化，群组控制的智能协同化。为此提出千米深井超长工作面智能开采总体方案( 图 20) : 基于千米深井超长工作面覆岩分区破断与矿压动态迁移规律，以围岩控制为核心，从千米深井超长工作面矿压规律、复杂工况智能监测、围岩稳定性智能监测预警、多信息融合、多系统智能协调与控制等方面出发，开发超长工作面多信息融合的抗冲击液压支架自适应群组协同控制技术与装备，并系统集成采煤机等其他工作面设备系统，形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系。
5 结论与展望
( 1) 深部煤炭资源开采势在必行。合理加大采煤工作面长度，降低巷道掘进率，并实现智能化是深部煤炭资源安全高效开采的有效途径。针对千米深井开采存在的高应力、强采动、多灾害及低效率等技术难题，提出 4 个关键科学问题: 高应力强采动巷道围岩大变形机理; 巷道围岩支护―改性―卸压协同控制原理; 千米深井超长工作面应力与覆岩结构演化机理; 超长工作面多信息融合智能开采模式。这些科学问题的解决将为千米深井围岩控制及智能开采提供理论基础。 ( 2) 针对千米深井巷道围岩高应力、强采动的特点，提出巷道支护―改性―卸压“三位一体”协同控制技术，实现高预应力、高强度、高冲击韧性锚杆主动支护，高压劈裂注浆主动改性及水力压裂主动卸压，通过“三主动”协同作用解决千米深井巷道围岩控制难题。 ( 3) 千米深井超长工作面开采矿压显现的显著特点是覆岩分区破断和矿压动态迁移。基于这两大特点，提出以围岩控制为核心，从千米深井超长工作面矿压规律、复杂工况智能监测、围岩稳定性智能监测预警、多信息融合、多系统智能协调与控制等方面出发，开发液压支架抗冲击技术，超长工作面多信息融合的抗冲击液压支架自适应群组协同控制技术与装备，并系统集成采煤机等其他工作面设备系统。最终目标是形成千米深井超长工作面智能开采成套技术体系。 ( 4) 本文只是提出煤矿千米深井围岩控制及智能开采关键科学问题与技术构想。目前，项目及各课题的研究工作正在按计划有序开展。希望项目完成后取得的研究成果，能为我国深部煤炭资源安全、高效、高回收率开采提供有力支撑。
致谢 本项目参加单位 9 个，人员 100 余名，对本论文的形成均作出不同程度的贡献，在此一并表示感谢。
参考文献( References) :
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《煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想》来源：《煤炭学报》，作者：康红普1，2，3 ，王国法1，2，3 ，姜鹏飞1，2，3 ，王家臣4 ，张 农5 ，靖洪文5 ，黄炳香5 ，杨宝贵4 ，管学茂6 ，王志根7
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