充分采動全地層覆巖聯動作用機理研究

研發起止時間：2016年07月～2017年12月

完成單位：大同煤礦集團有限責任公司、中國礦業大學

成果水平：國際先進

1 立項背景

大同礦區屬雙系煤層開采，現正轉向下部石炭系特厚煤層開采，雙系層間巖層厚度150 m～200 m，多個礦井在石炭系特厚煤層開采期間，頻繁出現壓架、巷道底鼓破壞、頂板大幅下沉等嚴重的礦壓問題，對礦井的安全高效生產造成極大的危害。尋求揭示此類條件下強礦壓發生機理，探究并制定相應的頂板控制對策以保障安全高效開采，是大同礦區亟待解決的理論與技術難題。

工作面的礦壓顯現與采動覆巖關鍵層結構形態及其運動規律息息相關，同時隨著開采區域的擴大，覆巖破斷、運動高度不斷增加，亦會引起覆巖關鍵層結構形態及其運動規律的變化，表明采動覆巖關鍵層破斷特征、結構形態及其運動規律與開采空間尺寸密不可分，對于特厚煤層綜放開采大空間采場礦壓顯現更是與開采空間尺寸密切相關，存在明顯的尺寸效應。因此，結合礦井實際生產條件，對充分采動條件下覆巖關鍵層破斷運移規律進行實測研究，據此掌握大同礦區特厚煤層開采大空間采場整個覆巖范圍內遠、近場關鍵層結構時空演變特征及其對采場礦壓的影響機制，對大同礦區石炭系特厚煤層的安全高效開采具有重要理論意義。

2 研究內容

本項目選取同忻煤礦8202工作面（一側為8203工作面采空區，另一側為實體煤）為試驗研究對象，采用采場礦壓、覆巖內部巖移、地表沉陷的井上下“三位一體”聯合觀測，同時對8203工作面覆巖內部巖層移動、地表沉陷規律繼續進行跟蹤觀測。考慮到雙面累計采寬近450 m，覆巖處于充分采動狀態，此研究對于掌握整個覆巖范圍內關鍵層破斷結構形態及其運動規律、遠場關鍵層破斷運移對采場礦壓的影響機制具有重要意義，可為礦區強礦壓顯現的有效控制提供基礎和依據。項目主要研究內容如下：

（1）構建了特厚煤層井下礦壓、覆巖運移、地表沉陷“三位一體”原位監測技術體系。綜合運用GPS測量系統、地面鉆孔多點位移監測系統及采場支架工作阻力監測系統，形成從地面到采場的覆巖全地層三維空間立體監測體系，為揭示大同煤礦集團特厚煤層綜放開采充分采動條件下覆巖關鍵層破斷運動規律研究提供新的的研究手段。

圖1 GPS測量系統固定基站

圖1為地表沉陷的監測，全程使用風云K98T型靜態GPS 測量系統，該系統具有精度高（測量誤差±10 mm），便攜的優點，能夠很好地適應山地地形起伏，落差大等復雜地貌條件。

圖2中的地面鉆孔多點位移監測系統是針對巖層運動特別是關鍵層運動連續監測所專門研制的，該系統的最大監測深度800 m，適應鉆孔直徑范圍90 mm～150 mm，最大位移變化范圍為20 m，分辨率為0.01 mm，觀測數據除了可以進行本地采集儀內部存儲，同時還可以通過移動網絡進行遠程在線傳輸。

（2）提出了不同層位“砌體梁”結構關鍵塊體回轉速度差異引起覆巖載荷下傳的理念，并基于彈塑性力學、巖石力學，建立了“砌體梁”結構關鍵塊體回轉速度力學模型。穩定的“砌體梁”結構，具有“三鉸拱”式承載特征將上覆載荷傳遞至前方實體煤及采空區垮落矸石。因此，關鍵層破斷塊體回轉運動至終態形成穩定的“砌體梁”結構后，上覆巖層破斷運動將不會影響礦壓。因此，覆巖關鍵層破斷運動對礦壓的影響時機發生于塊體回轉過程之中，著眼于“砌體梁”結構鉸接塊體回轉過程，考量采場上覆不同層位關鍵層破斷運動對礦壓是否存在影響及其影響程度。

（3）根據確定的相似比及同忻煤礦8202工作面實際地層力學參數，通過設計不同配比，制作試件，通過室內力學試驗測取物理力學參數，物理模擬顯示在煤層間距相對采高較大情況下，上覆遺留煤柱對下煤層開采壓架影響很小或者幾乎沒有影響。在工作面進入采空煤柱并出煤柱10 m的過程中，下位的亞關鍵層產生垮落并引起高位關鍵層產生彎曲變形；在工作面從出煤柱10 m左右一直到出煤柱40 m的過程中，高位關鍵層裂紋開始萌生并持續發育；當下煤層工作面開采至出煤柱42 m左右時，裂紋迅速擴展并形成貫穿關鍵層的宏觀裂紋，高位關鍵層迅速破壞失穩；由于遺留煤柱受覆巖集中應力作用，較大區域進入塑性狀態，在高位關鍵層垮落過程中未產生急劇崩解，對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生的指標，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害發生的臨界條件。特厚煤層綜放開采過跨系煤層遺留煤柱發生礦壓災害在一定的范圍之內，是多種因素綜合作用的結果,根據其地質特征，以煤層間距和下煤層采厚最為關鍵。

3 創新成果

本項目取得了如下創新性成果：

（1）研發了采動覆巖運移與采空區應力監測系統，研究了充分采動條件下覆巖全地層聯合下沉運動特征，揭示了采空區應力演化規律；

（2）構建了“砌體梁”結構關鍵塊體回轉速度力學模型，分析了充分采動條件下不同層位關鍵塊體回轉過程中的載荷傳遞特征，建立了基于回轉速度的載荷傳遞量表征方法，研究了不同應力路徑下煤體變形和破壞機制；

（3）研發了三維多功能實驗平臺及協同監測方法，分析了充分采動條件下高位關鍵層與下伏巖體破斷裂隙發育次序及位移變化特征，揭示了充分采動條件下高位關鍵層“橫U-Y”破斷形式及破斷塊體結構失穩機理；

4 應用效果

本項目有效指導了水壓致裂弱化高位關鍵層的強礦壓控制對策的實施，最大限度緩解了特厚煤層充分開采工作面壓架等強礦壓災害的發生，為礦井的安全高效生產提供了可靠的保障。研究成果在同忻礦8202工作面進行了現場應用，產生直接經濟效益3 900多萬元。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定，獲國際先進水平。