新汶抗冲击地压充填项目.docx
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新汶抗冲击地压充填项目
新矿科技[2007]？
？
号
新矿集团重大科研项目计划
项目立项建议书
（项目类别工程应用及技术开发）
项目名称：
深井“无煤柱-快速机械化充填”
的冲击地压防治体系研究
申报单位：
新矿集团技术中心博士后工作站
起止年限：
2007年4月至2009年3月
新汶矿业集团公司制定
2007年3月9日
一、立项理由
新汶矿区的协庄、孙村、华丰等煤矿采深已接近或超过1000m，深井回采巷道的支护愈加困难，回采巷道冲击地压已经成为制约矿井安全高效生产的重大工程难题。
申请人所在课题组采用微地震监测技术的监测结果表明，很多灾害性冲击地压与解放层和被解放层所留设的区段煤柱有关（华丰矿1410工作面能量大于1,000,000J的11次大震级事件都集中在6层区段煤柱上方）。
由于开采解放层和被解放层所留设的区段煤柱为滋生高应力场创造了条件，成为诱发回采巷道冲击地压发生的主要因素之一。
另外，超前支承压力是诱发回采巷道冲击地压的重要因素。
因此，通过采空区的快速机械化充填，可以大大减小冲击地压的危害，同时实现地面和井下矸石的合理处理，实现绿色开采。
二、实施方案（主要研究内容、目标、技术方案、工艺流程等）
1．主要研究内容
（1）.选定工作面区段煤柱附近的岩层运动规律和应力场分布规律，以及煤柱冲击地压发生机理；
（2）.无煤柱开采的快速机械化巷旁支护技术（采用国际上最先进的无机化学材料和分阶段承载原理）；
（3）.实现采空区内边采边充的快速机械化充填系统设计与试验（合作单位已经申报发明专利）；
（4）.“无煤柱—─快速机械化充填”实施后的减冲效果测试。
2．研究目标
通过实施深井无区段煤柱巷旁快速支护技术和采空区内边采边充的快速机械化充填技术，达到：
（1）.解决深井回采巷道的支护难题；
（2）.避免小煤柱区段巷道在掘进和回采期间发生冲击地压；
（3）.消除解放层区段煤柱的集中应力传递给被解放层，避免发生冲击地压；
（4）.提高资源回收率，减少万吨掘进率；
（5）.协助实现新矿集团公司提出的“井下矸石不升井、吃掉地面矸石山”的目标。
3．技术方案
4．工艺流程（其一）
三、项目创新点（关键技术、特点、技术的先进性）
1.关键技术
（1）.现有的微地震成果──反演岩层空间运动，揭示空间结构和应力场的时空变化，是研究煤柱高应力场诱发冲击地压发生机理的前提保障；
（2）.研究煤体的破坏特征，建立矿压模型，计算所需的强度和能适应的变形量，研究提高整体支护强度和抗变形能力及保持稳定性的方法。
完善分阶段承载原理的学术观点，实现快速边采边注的巷旁支护技术；
（3）.采空区内边采边充的快速机械化充填系统设计与减冲原理；实现快速机械化充填施工体系。
2.特点
（1）.提出和应用无煤柱支护──分阶段承载的学术观点，并实现巷旁快速充填注浆支护；
（2）.进行采空区快速机械化充填系统设计与提供成套技术。
3.技术的先进性
冲击地压是煤矿开采过程中的重大灾害之一。
它是在高应力作用下煤体内大量聚集的弹性能突然释放,造成大量煤岩迅速抛出的一种自然事故。
它不仅影响煤矿正常生产,而且造成人员伤亡和设备损坏。
冲击地压的机理及防治技术研究是目前国际采矿和岩石力学领域公认的难题。
在现有技术下，深井开采的预防和解危煤柱发生冲击地压的措施如钻孔卸压、爆破卸压及注水卸压等，均不能有效避免冲击发生。
因此，课题的先进性在于拟建立的深井无煤柱──快速机械化充填技术的冲击地压防治体系，能够大大降低应力集中系数，有效避免发生冲击地压，实现安全生产。
课题的实现能够完善和补充冲击地压防治理论及技术，有效解决深井开采扰动岩层引起的矿山压力显现灾害，提高资源回收效率，实现绿色环保安全开采，创新矿区开采理念。
四、技术、经济指标
技术指标
1.有效避免由于煤柱超前压力、侧向压力集中及煤柱集中应力导致产生的破坏性冲击地压；
2.区段巷道围岩变形量大大减少；
3.有效降低周期来压及老顶来压强度，采煤工作面支架支护阻力降低1/3左右；
4.提高采煤工作面资源回收率；
5．巷旁支护注浆效率4m3/工。
6减少地面和井下矸石产生的污染。
经济指标
1.注浆材料成本不大于250元/m3；
2.采用巷旁支护每米效益5×1.2×2×100=1200元，煤柱宽度5m，密度1.2t/m3，煤层厚度取2.5m，吨煤效益100元；
3.实现矸石机械化快速充填。
五、达到的技术水平、经济、社会效益及推广应用前景
1.达到的技术水平
冲击地压的机理及防治技术研究是目前国际采矿和岩石力学领域公认的难题。
在现有技术下，深井开采的预防和解危煤柱发生冲击地压的措施如钻孔卸压、爆破卸压及注水卸压等，均不能有效避免冲击发生。
本冲击地压成套防治体系的成功，能够提供可行的冲击地压治理措施，有效解决深井开采扰动岩层引起的矿山压力显现灾害，可望达到国际水平。
另外在采煤方法理论、成套工艺、资源回收率、环境治理等方面独具特色，可望达到国际水平。
2.经济、社会效益
经济、社会效益表现在安全高效、高资源回收率、绿色开采等四个方面：
（1）.安全高效
降低次生应力集中系数，实现安全开采冲击倾向煤层，安全掘巷；
减少巷道支护费用，减少采煤支架工作阻力，利于实现高产高掘，降低吨煤成本。
（2）.高资源回收率
减少区段煤柱留设，解放数量可观的老矿井井下煤柱、边角块段、“三下”等不可采煤层，为新汶矿区消灭周围矸石山，未来复垦土地1万多亩，使大量的煤炭资源得到开采利用做出积极贡献。
（3）.绿色开采
减少采动动力灾害和地表沉陷，治理和防止进一步的环境污染。
经济效益计算一例：
现新汶矿区区段煤柱一般为5m左右，采煤工作面宽度为150m，无煤柱开采可提高资源回收率5/150＝3.33%，新汶局薄及中厚采煤工作面年产500万吨计，则多回收煤炭16.7万吨。
沿空留巷按注浆充填宽度2.5m，注浆体250元/m3。
但由于少掘一条巷道，降低了掘巷及支护费用，因此可以忽略注浆费用。
吨煤效益按100元计，则每年净增利润1336万元。
（已考虑薄煤层采取碎矸护巷，产量已减）
因此，经济效益与环境效益相当可观。
3.推广应用前景
（1）.随着我国煤矿每年采深平均增加10m的不断增加，由采动扰动滋生的背景高应力场导致的冲击地压、煤与瓦斯突出等事故愈加严重。
课题研究的成功能够解决深井区段巷道的支护难题，减少采场、巷道的应力集中系数，降低施工难度，创造良好的安全生产环境。
（2）.新矿集团省内外煤矿正常生产后，省外将达到年产4000多万吨、省内将年产煤3000多万吨，课题的成功，能够为改善矿区环境，减少了矸石井上提升量和矸石升井辅助运输量，给矿井生产带来经济效益，推进矿井又好又快的发展。
目前，我国的煤矸石总堆积量已超过25亿吨，而且每年正以约1.3亿吨的速度增加，废弃的煤矸石污染水质和空气，而且还侵占了越来越多的土地，对生态环境造成严重破坏。
另一方面，煤炭行业特别是，严重制约着煤矿的长远发展。
课题研究的目的在于最大限度回收煤炭资源，此技术的推广应用服务于矸石不升井、地面矸石零排放，同时有效解放矿区“三下”压煤，减少煤柱损失。
本课题能够将冲击地压治理、改变深部区段巷道支护现状、提高资源回收率与环境治理相结合进行研究，其成功具有重大推广价值。
六、地点、试验规模及进度安排
1.地点
新汶矿业集团某矿
2.试验规模
（1）巷道试验，长度100m（暂定）；
（2）采煤工作面试验，宽度100m（暂定）。
3.进度安排
2007年度（4～12月）：
（1）2007年4月，研究课题开题准备（研究计划）；
（2）2007年5月，进行研究课题专家论证，修改完善研究内容、方法，制定具体可行的研究步骤；
（3）2007年6～9月，查询国内外冲击地压机理、监测、防治技术的最新相关文献，新汶矿区的冲击地压显现机理研究，防治技术施工方案论证；签定与相关科研单位合作设备开发研制协议。
2007年9月，半年科研工作考核汇报。
（4）2007年10～12月，确定试验巷道，确定分段承载方案及注浆参数。
确定采煤工作面的充填参数（时间、充填厚度、范围及充填率）。
对实施方案减弱冲击显现进行评估。
充填设备适应性试验与改造。
2008年度
（1）2008年1～2月，巷旁注浆材料的力学性能测试，注浆材料样本测试，主要测试抗变形能力，凝固速度，确定注浆、充填工艺；
培训注浆、充填技术工人制定井下的注浆、充填操作规程及质量标准。
（2）2008年3～8月，方法试验，反复完善施工方法；优化注浆、充填设计，完善操作规程及质量管理和检查办法；进行矿压观测，对未巷旁支护巷道和小煤柱巷道、充填和未充填工作面进行比较，主要比较压力显现变化、巷道随时间收缩变化及采场围岩相对移近量情况、抗变形和密封能力。
2008年3月，半年的科研工作考核汇报。
进站一年的研究工作阶段成果学术报告。
（3）在另一个地点进行施工，逐步完善推广。
2008年9月，半年科研工作考核汇报。
2009年度（1～3月）
（2）2009年1～2月，撰写总结报告（或报奖材料），提交博士后出站报告。
（3）2009年3月，博士后出站报告专家鉴定会，提交出站申请，办理出站手续。
七、经费概算表1:
新增添仪器、设备、价格等
新增添仪器、设备价格（万元）
1试制采煤工作面原生矸石充填系统成套设备费（产权为集团公司），与协作单位另签协议
2综采支架改装费（用于采用充填和无煤柱巷道施工后，支架需要的支护阻力降低，改装后的支架成本降低）40万元
3钻孔应力计20个，频率计2个，安装泵2台，安装50m4万元
费用预算：
研究费（与协作单位另签协议）主要指设备研发，及科研、试验费（用于协作单位科研人工、差旅、消耗品、管理费等）
快速充填成套设备制造费主要指设备研发，与协作单位另签协议，产权属于集团公司
新型综采支架设备改装设计费40万元，产权属于集团公司
试验材料及巷旁支护费50万元，为试验巷道支护消耗材料
仪器费4万元，产权属于集团公司
合计：
94万元
七、经费概算表2：
经费支出明细预算表
经费支出明细预算表
费用名称
小计
（千元）
金额（千元）
2007年
2008年
2009年
1
科研、设计、试验费（用于协作单位科研人工、差旅、消耗品、管理费等）
2
设备、仪器折旧费
3
试验设备租赁费（注浆设备）
50
50
4
设计费与设备费（协作单位）
待定（与协作单位另签协议）
5
工艺规程制定费
100
20
60
20
6
技术图书资料费（含发表论文）
40
10
25
5
7
设备调整费（支架改装费）
400
200
200
8
失败损失费
9
研究开发材料费（注浆充填100米巷道的材料150吨）
500
500
10
开发用内部协作费
11
内部试验费（中间试验费）
12
委外科研试验费（协作单位，
快速充填成套设备制造）
待定（与协作单位另签协议）
13
开发、咨询、论证费（协作单位，
快速充填成套设备制造费）
待定（与协作单位另签协议）
14
技术交流费
40
10
20
10
15
技术培训费（快速充填成套设备操作）
待定（与协作单位另签协议）
16
关键设备、仪器摊销费
40
10
20
10
17
科研用无形资产摊销费
（数值模拟）
50
10
30
10
18
开发试验机构办公费
40
10
20
10
19
试验机构能源消耗费
20
与技术开发相关的其他费用
30
5
20
5
21
博士后研究费
300
100
150
50
合计
1590
375
1095
120
八、申报单位及协作单位概况与条件（现有技术基础等）
1．申报单位基本情况
新矿集团国家级技术中心拥有10个研究所，高级技术人员达790余人，具有完善的技术开发体系和较强的创新能力。
新矿集团领导高度重视科技自主研发和创新，力图解决重大工程难题，实现可持续高效发展。
进站博士后基本情况：
近年来一直致力于理论与现场结合解决工程难题的前沿课题研究。
最近两年在国家一级期刊上发表
、
检索文章4篇，已授权和受理的发明专利2项、实用新型专利5项，2006年获教育部二等奖（第5位）等部级奖两项。
最近提出了冲击倾向判别的弹性能指数（
）耦合
（
，表示发生冲击地压的可能性指数，
为一点的支承压力，
；
为对应煤层的单向抗压强度，
）进行判别，建立冲击地压发生可能性等级的评价机制，提供了适于具体矿井的动静态兼具的划定冲击地压发生可能性等级的综合判据。
因此具有从事博士后课题研究能力。
2.协作单位概况与条件
（1）北京科技大学博士后流动站指导团队的科研优势
该团队在冲击地压的监测和控制方面，承担完成了国家自然科学基金和国际重大合作基金三项，发表
、
检索文章近20篇、获教育部科技进步二等奖等省部级奖数项。
该课题组一直致力于新矿集团的冲击地压防治重大工程难题研究，取得了国际水平的阶段成果。
在深井回采巷道的支护方面，与跨国公司
合作，完成了新型支护材料的现场实验，提出了巷旁注浆快速成形支护成套技术及其分阶段承载原理的学术观点。
与中矿机电公司合作，申请了采空区内边采边充的快速机械化充填系统发明专利，其中包含专用充填皮带和充填机，目前已经完成实验室实验。
（2）
国际合成材料公司的技术优势
该公司是国际上最大的生产有机和无机支护材料、加固材料的公司，年产值20亿英镑，已经开发出多种系列的巷旁充填材料和成套设备，解决目前尚未彻底解决的巷旁支护难题。
（3）中矿机电公司的技术优势
中矿机电公司是我国专门生产物料输送的科研和制造单位，特别是在煤矿矸石输送方面，一直处于国内领先水平，我国邢台矿务局的巷道矸石充填系统就是该公司生产的。
总之，采用强强联合的方式进行技术合成，发挥各自的长处，关键技术已经有较好的研究基础，可望为解决新矿集团的难题提供成套技术。
九、项目课题责任人及工作人员情况（单位、姓名、职称等）
课题负责人：
成员单位：
新汶矿业集团公司
成云海高级工程师（在站博士后）
协作单位：
以北京科技大学为负责单位、联合
国际合成材料公司和中矿机电公司组成的课题组：
北京科技大学：
姜福兴教授
纪洪广教授
吕文生副教授
王进强副教授
博士研究生5名，硕士研究生4名
国际合成材料公司：
吴怀国高级工程师，副总经理
李欣高级工程师，副总经理
孙志凤高级工程师，技术部主任
中矿机电公司：
李建国高级工程师，总经理
孙浩高级工程师
十、申报单位意见
单位意见：
申报单位名称：
（公章）
法人代表（签字）：
年月日
十一、主管单位审核意见
审核意见:
主管单位名称：
（公章）
负责人（签字）：
年月日
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