復雜條件堅硬巖層控制理論與技術

1 立項背景

大同煤礦集團有限責任公司現主采侏羅系與石炭二疊系煤層共同賦存的雙系煤田，其上部侏羅紀系煤層趨于枯竭，下部石炭二疊系煤層可采儲量多達300億噸。石炭二疊系煤層賦存深度較大，煤層厚度大且結構復雜，頂板巖層及煤層均較為堅硬。堅硬巖層因其自身強度較高，不易垮落，當大面積懸露時，將導致采空區空間逐漸增大，支承壓力和工作面支架阻力不斷增加，當大面積堅硬巖層失穩時，頂板積聚的彈性能釋放，造成工作面強礦壓顯現，破壞生產支護設備，威脅井下人員的生命安全。塔山煤礦、同忻煤礦作為開采石炭二疊系煤層的千萬噸級主力礦井，在開采過程中遇到了多次強烈礦壓顯現，主要表現為：(1)采空區頂板大面積垮落并伴有響聲；(2)液壓支架增阻明顯、安全閥開啟頻繁；(3)臨空巷道底鼓和片幫嚴重、煤炮響聲；(4)超前支撐壓力影響范圍大，并且采空區后方也受到強烈影響；(5)覆巖運動范圍大等特征。上述問題給礦井安全高效生產帶來了較大影響。

針對以上工程實際，大同煤礦集團有限責任公司與阜新工大礦業科技有限公司合作研究，項目通過現場調研與工程實踐，針對大同礦區雙系賦存、堅硬巖層、多層采動、特厚煤層開采等復雜條件，從堅硬巖層力學特性、結構特征、礦壓顯現特征等出發，應用工程控制論、板殼理論、塑性力學等，建立了堅硬巖層失穩結構模型，分析其力學特性，確定失穩判據，闡明堅硬巖層結構失穩演化過程，揭示堅硬巖層失穩對工作面礦壓顯現的作用機制，提出了綜放開采堅硬巖層控制技術，建立了“地質動力條件評價－堅硬巖層結構失穩演化理論－堅硬巖層防治技術體系”三位一體的理論技術體系。

2 研究內容

項目主要研究內容如下：

應用地質動力條件評價方法，建立了大同礦區地質動力條件評價指標體系，分別對構造凹地、地形地貌條件等8個指標進行綜合評價，見表1。

表1大同礦區地質動力條件評價

為實現對工作面上覆巖層垮落帶與裂隙帶范圍的準確劃分，采用EH-4大地電磁法對實體煤和采空區進行探測，探測分兩個階段進行：①工作面開采前實體煤探測；②工作面開采后采空區探測。通過對比工作面采前、采后上覆巖層的電阻率特征，來確定工作面上覆巖層垮落帶與裂隙帶范圍。第一階段探測方案為：在8100工作面對應的地表布置兩條測線，1#測線布置在8100工作面未開采區域的地表，2#測線布置在8100工作面已開采區域的地表，具體測線布置如圖1所示。其中1#測線方位近南北，長度為160 m，共9個測點，受地形條件的限制，測線沒有完全覆蓋整個工作面長度范圍；2#測線方位NW21°，長度為340 m，共18個測點。第二階段探測方案為：沿著1#、2#測線進行重復探測，此時8100工作面已開采經過1#測線。1#測線大地電阻率二維反演結果如圖2所示，2#測線大地電阻率二維反演結果如圖3所示。

EH-4探測表明，巖層中裂隙與破碎帶發育程度隨著遠離工作面而逐漸減弱，造成堅硬巖層漸次失穩特征，大同礦區石炭系煤層開采后存在高位堅硬巖層結構，可形成壓力拱，對礦壓顯現具有控制作用。

圖1 EH-4沿線布置圖

圖2 1#測線大地電阻率二維反演圖

圖3 2#測線大地電阻率二維反演圖

基于大同礦區石炭系煤層覆巖硬、厚特征，特厚煤層綜放開采形成大采場空間，覆巖結構范圍不僅局限于基本頂范圍，相較常規煤層開采其結構具有更大尺度。根據不同層位堅硬巖層礦壓控制作用的不同，可將堅硬巖層劃分為高、中、低位三類，低位堅硬巖層控制工作面周期小壓，中位堅硬巖層控制工作面周期大壓，高位堅硬巖層控制工作面強礦壓顯現。因此，不同層位、不同階段堅硬巖層失穩具有不同模式，應用關鍵層理論及板殼力學理論，建立堅硬巖層大空間采場“多層位板式結構”系統模型，如圖4所示。

圖4堅硬巖層大空間采場結構模型示意圖

3 創新成果

本項目取得了如下創新性成果：

（1）提出了大同礦區地質動力條件評價方法，建立了該礦區石炭系特厚煤層特征、運動特征及動力特征綜合分析方法,提出了堅硬巖層大空間采場失穩理論，揭示了堅硬巖層結構失穩特征，實現了堅硬巖層開采覆巖運動及礦壓顯現規律的預測。

（2）提出了一種堅硬巖層運動狀態的測試方法,闡明了“低位懸臂結構→中位砌體結構→高位壓力拱結構”的漸進失穩特征。

（3）提出了多層位堅硬巖層協同控制技術,實現了堅硬巖層結構失穩尺度的有效控制,降低了回采工作面及巷道礦壓顯現強度。

4 應用效果

項目研究成果在塔山煤礦8218工作面進行了現場應用，節省巷道返修費用840萬元，在工作面回采期間未發生強礦壓顯現，無人員傷亡，提高了工作效率，有利于保護井下工作人員的身體健康和生命安全，為類似條件工作面提供借鑒。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定，達到國際領先水平。