[01098102]倾斜煤层矸石自承载无煤柱开采关键技术与装备

该项目属于煤矿开采领域。 习近平总书记指出：中国的国情是以煤为主，对煤的注意力不要分散，要做好煤炭这篇大文章。中国倾斜煤层资源占煤炭资源总量的35％，四川、重庆、贵州等西南矿区占比甚至高达60％。但是，倾斜煤层安全高效绿色开采的理论研究远远落后于实际生产的需要，特别是在近水平煤层中应用效果良好的无煤柱开采技术远没有发挥其低掘进率、高回采率、高安全性的优点。倾斜煤层无煤柱开采的三大难题：沿空留巷技术适应性难以把握；倾斜煤层沿空留巷方式和技术不够成熟；倾斜煤层无煤柱开采装备实用性差。 为解决上述科技难题，该项目经过近十年的攻关，建立了沿空留巷适应性评价体系，揭示了采空区矸石自承载特性，研发了大倾角工作面沿空留巷端头液压支架、沿空留巷挡矸装置等倾斜煤层无煤柱开采成套装备。取得成果如下： (1)揭示了采空区矸石自承载力学特性。结合图像处理和颗粒流方法，构建了矸石仿真模型。通过对单一粒径和Talbot级配的矸石，进行颗粒流数值模拟和自由压缩试验，得出了矸石的自由压缩从时间上可分为三个阶段：自组织平衡阶段，破碎压密阶段和固结增阻阶段；从空间上可划分为：自组织平衡区，咬合破碎区和固结区，各区域呈近似同心圆形分布。 (2)建立了沿空留巷适应性评价体系。确定了煤层倾角、煤层厚度、巷道埋深、直接顶岩性、直接顶影响系数及顶板完整性等6个评价沿空留巷适应性的主要地质因素；通过层次分析法得到了6个地质因素影响权重，得出了煤层倾角、顶板完整性对沿空留巷适应性影响最大的结论；确定了沿空留巷适应性5个等级的地质因素取值范围及每个等级留巷方式。 (3)研发了大倾角工作面沿空留巷端头液压支架、沿空留巷挡矸装置等倾斜煤层无煤柱开采成套装备。实现了工作面采煤和沿空留巷施工平行作业，解决了工作面下方护巷操作人员的安全防护问题，同时该支架作为工作面的排头架，其本身的稳定性为倾斜煤层整个工作面支护设备的稳定性提供了至关重要的支撑作用，能有效阻挡矸石，形成矸石自承载支护体。 四川省科建煤炭产业技术研究院有限公司组织了成果评价会，咨询专家组认为“该成果达到了国际先进水平，建议在同类型矿井中推广应用”。项目获国家专利10项，发表论文20篇，其中SCI4篇(ESI高被引论文1篇)，EI7篇，研究成果在重庆、四川、贵州等矿区推广应用，近三年应用矿井增加利润1.53亿元，实现了倾斜煤层安全高效绿色开采，创造了巨大的经济价值和社会价值。