充分采動(dòng)全地層覆巖聯(lián)動(dòng)作用機(jī)理研究

研發(fā)起止時(shí)間：2016年07月～2017年12月

完成單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)

成果水平：國(guó)際先進(jìn)

1 立項(xiàng)背景

大同礦區(qū)屬雙系煤層開采，現(xiàn)正轉(zhuǎn)向下部石炭系特厚煤層開采，雙系層間巖層厚度150 m～200 m，多個(gè)礦井在石炭系特厚煤層開采期間，頻繁出現(xiàn)壓架、巷道底鼓破壞、頂板大幅下沉等嚴(yán)重的礦壓?jiǎn)栴}，對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)造成極大的危害。尋求揭示此類條件下強(qiáng)礦壓發(fā)生機(jī)理，探究并制定相應(yīng)的頂板控制對(duì)策以保障安全高效開采，是大同礦區(qū)亟待解決的理論與技術(shù)難題。

工作面的礦壓顯現(xiàn)與采動(dòng)覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律息息相關(guān)，同時(shí)隨著開采區(qū)域的擴(kuò)大，覆巖破斷、運(yùn)動(dòng)高度不斷增加，亦會(huì)引起覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化，表明采動(dòng)覆巖關(guān)鍵層破斷特征、結(jié)構(gòu)形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與開采空間尺寸密不可分，對(duì)于特厚煤層綜放開采大空間采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)更是與開采空間尺寸密切相關(guān)，存在明顯的尺寸效應(yīng)。因此，結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)條件，對(duì)充分采動(dòng)條件下覆巖關(guān)鍵層破斷運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，據(jù)此掌握大同礦區(qū)特厚煤層開采大空間采場(chǎng)整個(gè)覆巖范圍內(nèi)遠(yuǎn)、近場(chǎng)關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)時(shí)空演變特征及其對(duì)采場(chǎng)礦壓的影響機(jī)制，對(duì)大同礦區(qū)石炭系特厚煤層的安全高效開采具有重要理論意義。

2 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目選取同忻煤礦8202工作面（一側(cè)為8203工作面采空區(qū)，另一側(cè)為實(shí)體煤）為試驗(yàn)研究對(duì)象，采用采場(chǎng)礦壓、覆巖內(nèi)部巖移、地表沉陷的井上下“三位一體”聯(lián)合觀測(cè)，同時(shí)對(duì)8203工作面覆巖內(nèi)部巖層移動(dòng)、地表沉陷規(guī)律繼續(xù)進(jìn)行跟蹤觀測(cè)?？紤]到雙面累計(jì)采寬近450 m，覆巖處于充分采動(dòng)狀態(tài)，此研究對(duì)于掌握整個(gè)覆巖范圍內(nèi)關(guān)鍵層破斷結(jié)構(gòu)形態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律、遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層破斷運(yùn)移對(duì)采場(chǎng)礦壓的影響機(jī)制具有重要意義，可為礦區(qū)強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的有效控制提供基礎(chǔ)和依據(jù)。項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）構(gòu)建了特厚煤層井下礦壓、覆巖運(yùn)移、地表沉陷“三位一體”原位監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。綜合運(yùn)用GPS測(cè)量系統(tǒng)、地面鉆孔多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及采場(chǎng)支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，形成從地面到采場(chǎng)的覆巖全地層三維空間立體監(jiān)測(cè)體系，為揭示大同煤礦集團(tuán)特厚煤層綜放開采充分采動(dòng)條件下覆巖關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供新的的研究手段。

圖1 GPS測(cè)量系統(tǒng)固定基站

圖1為地表沉陷的監(jiān)測(cè)，全程使用風(fēng)云K98T型靜態(tài)GPS 測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精度高（測(cè)量誤差±10 mm），便攜的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)山地地形起伏，落差大等復(fù)雜地貌條件。

圖2中的地面鉆孔多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)特別是關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)所專門研制的，該系統(tǒng)的最大監(jiān)測(cè)深度800 m，適應(yīng)鉆孔直徑范圍90 mm～150 mm，最大位移變化范圍為20 m，分辨率為0.01 mm，觀測(cè)數(shù)據(jù)除了可以進(jìn)行本地采集儀內(nèi)部存儲(chǔ)，同時(shí)還可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線傳輸。

（2）提出了不同層位“砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)速度差異引起覆巖載荷下傳的理念，并基于彈塑性力學(xué)、巖石力學(xué)，建立了“砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)速度力學(xué)模型。穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，具有“三鉸拱”式承載特征將上覆載荷傳遞至前方實(shí)體煤及采空區(qū)垮落矸石。因此，關(guān)鍵層破斷塊體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)至終態(tài)形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)后，上覆巖層破斷運(yùn)動(dòng)將不會(huì)影響礦壓。因此，覆巖關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)礦壓的影響時(shí)機(jī)發(fā)生于塊體回轉(zhuǎn)過程之中，著眼于“砌體梁”結(jié)構(gòu)鉸接塊體回轉(zhuǎn)過程，考量采場(chǎng)上覆不同層位關(guān)鍵層破斷運(yùn)動(dòng)對(duì)礦壓是否存在影響及其影響程度。

（3）根據(jù)確定的相似比及同忻煤礦8202工作面實(shí)際地層力學(xué)參數(shù)，通過設(shè)計(jì)不同配比，制作試件，通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)取物理力學(xué)參數(shù)，物理模擬顯示在煤層間距相對(duì)采高較大情況下，上覆遺留煤柱對(duì)下煤層開采壓架影響很小或者幾乎沒有影響。在工作面進(jìn)入采空煤柱并出煤柱10 m的過程中，下位的亞關(guān)鍵層產(chǎn)生垮落并引起高位關(guān)鍵層產(chǎn)生彎曲變形；在工作面從出煤柱10 m左右一直到出煤柱40 m的過程中，高位關(guān)鍵層裂紋開始萌生并持續(xù)發(fā)育；當(dāng)下煤層工作面開采至出煤柱42 m左右時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展并形成貫穿關(guān)鍵層的宏觀裂紋，高位關(guān)鍵層迅速破壞失穩(wěn)；由于遺留煤柱受覆巖集中應(yīng)力作用，較大區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)，在高位關(guān)鍵層垮落過程中未產(chǎn)生急劇崩解，對(duì)下煤層工作面回采影響較小。

（4）基于下煤層采厚和煤層間距雙重影響因素的綜合研究，提出了層間采厚比作為影響礦壓發(fā)生的指標(biāo)，并由此給出了特厚煤層過侏羅系煤柱綜放開采條件下礦壓災(zāi)害發(fā)生的臨界條件。特厚煤層綜放開采過跨系煤層遺留煤柱發(fā)生礦壓災(zāi)害在一定的范圍之內(nèi)，是多種因素綜合作用的結(jié)果,根據(jù)其地質(zhì)特征，以煤層間距和下煤層采厚最為關(guān)鍵。

3 創(chuàng)新成果

本項(xiàng)目取得了如下創(chuàng)新性成果：

（1）研發(fā)了采動(dòng)覆巖運(yùn)移與采空區(qū)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了充分采動(dòng)條件下覆巖全地層聯(lián)合下沉運(yùn)動(dòng)特征，揭示了采空區(qū)應(yīng)力演化規(guī)律；

（2）構(gòu)建了“砌體梁”結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)速度力學(xué)模型，分析了充分采動(dòng)條件下不同層位關(guān)鍵塊體回轉(zhuǎn)過程中的載荷傳遞特征，建立了基于回轉(zhuǎn)速度的載荷傳遞量表征方法，研究了不同應(yīng)力路徑下煤體變形和破壞機(jī)制；

（3）研發(fā)了三維多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及協(xié)同監(jiān)測(cè)方法，分析了充分采動(dòng)條件下高位關(guān)鍵層與下伏巖體破斷裂隙發(fā)育次序及位移變化特征，揭示了充分采動(dòng)條件下高位關(guān)鍵層“橫U-Y”破斷形式及破斷塊體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)理；

4 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目有效指導(dǎo)了水壓致裂弱化高位關(guān)鍵層的強(qiáng)礦壓控制對(duì)策的實(shí)施，最大限度緩解了特厚煤層充分開采工作面壓架等強(qiáng)礦壓災(zāi)害的發(fā)生，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了可靠的保障。研究成果在同忻礦8202工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益3 900多萬元。

本項(xiàng)目于2020年1月通過了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定，獲國(guó)際先進(jìn)水平。