煤炭学报

作者：于斌, 孟祥斌, 邰阳, 尚子榆, 彭明贤, 匡铁军, 郭飞龙, 李东印, 王世博,

关键词：坚硬顶板, 冲击地压, 智能识别与控制, 源头消冲, 地面压裂,

针对坚硬顶板特厚冲击煤层难以实现源头消冲和高效开采的难题，首先开发了坚硬顶板特厚冲击煤层安全开采保障技术，为智能放煤高效开采创造了有利环境；在此基础上攻克智能放煤技术瓶颈，形成了坚硬顶板特厚冲击煤层智能高效开采技术，具体研究过程如下：在坚硬顶板特厚冲击煤层安全开采保障技术方面，采用Timoshenko梁理论建立了坚硬顶板周期破断弹性能集聚模型，分析了不同单轴抗拉强度下顶板能量密度分布规律，揭示了基于地面预制人工缝网的坚硬顶板特厚冲击煤层超前消冲机理，据此开发了地面水平井压裂技术和地面液体炸药爆破技术，形成了基于地面预制人工缝网的超前消冲技术；采用Reissner中厚板理论建立了坚硬顶板切顶前后的初次破断力学模型，分析了人工定向裂缝对顶板弹性能密度和煤体静载增量的影响规律，揭示了基于井下人工定向造缝的坚硬顶板特厚冲击煤层超前消冲机理，发明了复合爆破定向造缝技术，形成了基于井下人工造缝的超前消冲技术。在坚硬顶板特厚冲击煤层智能高效开采技术方面，发明了顶煤厚度雷达在线探测技术、基于近红外光谱的煤矸识别技术、基于振动特征辨识的煤矸识别技术、基于音频的煤矸识别技术和基于激光三维扫描的放煤量实时监测技术，形成了特厚煤层智能感知与识别技术；建立了智能综放工作面“人−机−环”多源信息数据库，开发了特厚煤层综放工作面采放协调决策模型，发明了智能放煤模式与工艺智能决策技术，形成了智能放煤模式与工艺智能决策技术；开发了智能综放工作面三机位姿高精度惯导检测与控制技术，建成了智能综放远程通信及综合控制平台，形成了特厚煤层远程放顶煤智能控制技术。基于以上研究得出：① 当抗拉强度分别为0.76、1.57、2.68、3.95和5.68 MPa时，坚硬顶板对应的弹性能密度峰值分别为6.5、25.4、71.6、168.2和340.1 kJ/m，弹性能密度峰值U_\max^\mathrme 与坚硬顶板抗拉强度σ0呈现二次函数关系，具体关系为U_\max^\mathrme = 10.715σ02−0.718σ0。② 定向人工裂缝改变的坚硬顶板的边界条件，以兖矿能源集团103上02工作面为例，理论上人工缝网使得工作面砂岩层的初次破断步距从250 m减小为123 m。③ 基于地面预制人工缝网的超前消冲机理：大量人工缝网在岩层中形成结构弱面，有效降低了坚硬顶板弹性能集聚量，削弱顶板破断产生的矿震强度，从而控制了工作面及巷道内的冲击地压；基于井下人工定向裂缝的超前消除机理：定向裂缝能降低甚至消除坚硬顶板在巷道附近的弹性能，同时减小切顶侧的静载增量，从而控制了巷道内的冲击地压。

来源：2025年第1期

《煤炭学报》期刊编辑部

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