特厚煤層開采擾動下巖層移動及礦壓顯現規律研究

1 立項背景

我國厚煤層儲量及產量在全國煤炭儲量及產量中占比40%～46%，近些年，厚煤層綜放開采的理論與技術得到了長足發展。山西、陜西、內蒙古、甘肅等普遍存在厚度超過8m 的特厚煤層，在特厚煤層開采中，會遇到回采巷道變形大、壓架等強礦壓顯現現象，因此特厚煤層的開采技術研究顯得極其重要，對厚及特厚煤層（8-14m）的綜放開采理論是實踐中亟需解決的關鍵技術問題。針對大同塔山8216工作面開采條件，通過實驗室試驗、物理模擬試驗以及數值計算，研究探討了特厚煤層開采下，覆巖運動及受力特征，通過有限變形理論建立覆巖力學模型。

2 項目主要研究內容如下

（1）以正交實驗方法為基礎，開展了不同溫度、不同圍壓、不同瓦斯壓力作用下煤巖的常規力學試驗，分析了各因素對煤巖物理力學性質的影響。（見圖1圖2）

圖1 TAW2000型微機伺服試驗機

圖2 試樣安裝示意圖

上圖為TAW2000 型微機伺服試驗機,試驗使用TAW2000型微機伺服巖石三軸剪切試驗機，該試驗機包括圍壓、軸壓、水壓、軸向應變、橫向應變、軸向位移等多個通道，具有多種加載模式，各種加載模式可隨意轉換。可完成常規單軸和三軸試驗、卸壓、循環、孔隙滲透等多項試驗。

研究發現溫度、圍壓和瓦斯壓力對彈性模量、峰值應力、泊松比、裂紋閉合應力、裂紋啟裂應力以及斷面分形維數影響的顯著性水平均在90%以上。且瓦斯壓力對彈性模量、峰值應力、泊松比、裂紋啟裂應力的影響權重最大，圍壓次之，溫度最小；圍壓對裂紋閉合應力的影響權重最大，瓦斯次之，溫度最小；溫度對斷面分形維數的影響權重最大，瓦斯次之，圍壓最小。

（2）基于有限變形理論，以平均整旋角為指標分析了煤巖變形破壞過程，并建立了基于平均整旋角的煤巖大變形本構方程。

在壓密階段，由于煤巖內孔隙閉合，產生局部變形較大，平均整旋角和耗散能密度增長較快；在彈性階段，煤巖局部變形較小，能量密度和平均整旋角增加速率較緩；在接近峰值時，能量密度急劇增加，而平均整旋角則有增大和回落兩種現象。由于平均整旋角伴隨著煤巖變形破壞過程，將其作為煤巖本構模型的參數，建立了基于平均整旋角的煤巖大變形本構方程，并通過試驗數據驗證了模型的有效性。

（3）通過物理模擬和數值計算分析了特厚煤層開采條件下覆巖運動與受力特征。（見圖3圖4）

圖3 相似模擬實驗開挖數據記錄過程

圖4 數值計算開挖時垂直方向位移變化云圖

堅硬頂板條件下，頂板破斷發生在工作面推進約200m 時，覆巖破斷結構呈現簡支梁、多懸臂梁耦合的復雜結構。根據物理模擬結果顯示，覆巖破斷形貌的分形維數隨工作面推進呈現增長趨勢。隨工作面推進，遠場關鍵層上的主應力逐漸演化為水平方向，且隨工作面推進先增大后減小，其原因為關鍵層破斷后的塊體形成的砌體梁結構，破斷塊體相互擠壓咬合，造成了應力方向和大小的變化，同時，隨著關鍵層中破斷塊體的相對運動充分，內部應力有所減小。由于遠場關鍵層為堅硬巖層，破斷后形成相對穩定砌體梁咬合結構，壓力傳導作用較強，導致工作面前方壓力不斷積聚，持續增大，工程中應對遠場關鍵層進行主動致裂。

（4）基于物理模擬和數值模擬結果，建立了覆巖運動整體力學模型，并通過有限變形理論對模型進行求解。

特厚煤層開采過程中，覆巖結構演化及其復雜，不能通過桿、板、殼單一模型進行描述，整體考慮采場覆巖結構，借助有限開采長度下覆巖運動規律，通過有限變形理論，推導出關鍵層應變場解析公式，進而求得應力場分布，通過與數值計算結果比較表明，該模型可以較好描述特厚煤層開采條件下關鍵層受力特征。

3 本項目取得了如下創新性成果

（1）研究了特厚煤層開采條件下煤巖的大變形力學行為，分析了溫度、地應力以及瓦斯壓力對煤巖力學性質的影響，建立了煤巖大變形本構方程；

（2）建立了特厚煤層開采條件下的大變形-非連續計算方法，揭示了開采擾動下覆巖破壞規律，確定了高位關鍵層是引發強礦壓的主要因素；

（3）根據覆巖運動特征，建立了基于有限變形理論的高位關鍵層運動模型，針對性地提出了高位關鍵層的控制方法。

4 應用情況

研究成果在塔山礦獲得成功應用，取得了一定經濟效益。截止到2019年底，工作面回采過程中并未發生冒頂及沖擊地壓等動力災害事故，而且多回收了10萬噸煤炭，按每噸煤凈收益100元計算，多創收1000萬元。本課題對大同礦區堅硬頂板條件下特厚煤層開采條件下覆巖運動及受力進行了分析研究，有效指導了工作面參數進行了優化和地面壓裂技術，為生產提供了一個安全的工作環境，為礦井的安全高效生產提供了保障。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的科技成果鑒定，達到國際先進水平。