复杂条件坚硬岩层控制理论与技术

1 立项背景

大同煤矿集团有限责任公司现主采侏罗系与石炭二叠系煤层共同赋存的双系煤田，其上部侏罗纪系煤层趋于枯竭，下部石炭二叠系煤层可采储量多达300亿吨。石炭二叠系煤层赋存深度较大，煤层厚度大且结构复杂，顶板岩层及煤层均较为坚硬。坚硬岩层因其自身强度较高，不易垮落，当大面积悬露时，将导致采空区空间逐渐增大，支承压力和工作面支架阻力不断增加，当大面积坚硬岩层失稳时，顶板积聚的弹性能释放，造成工作面强矿压显现，破坏生产支护设备，威胁井下人员的生命安全。塔山煤矿、同忻煤矿作为开采石炭二叠系煤层的千万吨级主力矿井，在开采过程中遇到了多次强烈矿压显现，主要表现为：(1)采空区顶板大面积垮落并伴有响声；(2)液压支架增阻明显、安全阀开启频繁；(3)临空巷道底鼓和片帮严重、煤炮响声；(4)超前支撑压力影响范围大，并且采空区后方也受到强烈影响；(5)覆岩运动范围大等特征。上述问题给矿井安全高效生产带来了较大影响。

针对以上工程实际，大同煤矿集团有限责任公司与阜新工大矿业科技有限公司合作研究，项目通过现场调研与工程实践，针对大同矿区双系赋存、坚硬岩层、多层采动、特厚煤层开采等复杂条件，从坚硬岩层力学特性、结构特征、矿压显现特征等出发，应用工程控制论、板壳理论、塑性力学等，建立了坚硬岩层失稳结构模型，分析其力学特性，确定失稳判据，阐明坚硬岩层结构失稳演化过程，揭示坚硬岩层失稳对工作面矿压显现的作用机制，提出了综放开采坚硬岩层控制技术，建立了“地质动力条件评价－坚硬岩层结构失稳演化理论－坚硬岩层防治技术体系”三位一体的理论技术体系。

2 研究内容

项目主要研究内容如下：

应用地质动力条件评价方法，建立了大同矿区地质动力条件评价指标体系，分别对构造凹地、地形地貌条件等8个指标进行综合评价，见表1。

表1大同矿区地质动力条件评价

为实现对工作面上覆岩层垮落带与裂隙带范围的准确划分，采用EH-4大地电磁法对实体煤和采空区进行探测，探测分两个阶段进行：①工作面开采前实体煤探测；②工作面开采后采空区探测。通过对比工作面采前、采后上覆岩层的电阻率特征，来确定工作面上覆岩层垮落带与裂隙带范围。第一阶段探测方案为：在8100工作面对应的地表布置两条测线，1#测线布置在8100工作面未开采区域的地表，2#测线布置在8100工作面已开采区域的地表，具体测线布置如图1所示。其中1#测线方位近南北，长度为160 m，共9个测点，受地形条件的限制，测线没有完全覆盖整个工作面长度范围；2#测线方位NW21°，长度为340 m，共18个测点。第二阶段探测方案为：沿着1#、2#测线进行重复探测，此时8100工作面已开采经过1#测线。1#测线大地电阻率二维反演结果如图2所示，2#测线大地电阻率二维反演结果如图3所示。

EH-4探测表明，岩层中裂隙与破碎带发育程度随着远离工作面而逐渐减弱，造成坚硬岩层渐次失稳特征，大同矿区石炭系煤层开采后存在高位坚硬岩层结构，可形成压力拱，对矿压显现具有控制作用。

图1 EH-4沿线布置图

图2 1#测线大地电阻率二维反演图

图3 2#测线大地电阻率二维反演图

基于大同矿区石炭系煤层覆岩硬、厚特征，特厚煤层综放开采形成大采场空间，覆岩结构范围不仅局限于基本顶范围，相较常规煤层开采其结构具有更大尺度。根据不同层位坚硬岩层矿压控制作用的不同，可将坚硬岩层划分为高、中、低位三类，低位坚硬岩层控制工作面周期小压，中位坚硬岩层控制工作面周期大压，高位坚硬岩层控制工作面强矿压显现。因此，不同层位、不同阶段坚硬岩层失稳具有不同模式，应用关键层理论及板壳力学理论，建立坚硬岩层大空间采场“多层位板式结构”系统模型，如图4所示。

图4坚硬岩层大空间采场结构模型示意图

3 创新成果

本项目取得了如下创新性成果：

（1）提出了大同矿区地质动力条件评价方法，建立了该矿区石炭系特厚煤层特征、运动特征及动力特征综合分析方法,提出了坚硬岩层大空间采场失稳理论，揭示了坚硬岩层结构失稳特征，实现了坚硬岩层开采覆岩运动及矿压显现规律的预测。

（2）提出了一种坚硬岩层运动状态的测试方法,阐明了“低位悬臂结构→中位砌体结构→高位压力拱结构”的渐进失稳特征。

（3）提出了多层位坚硬岩层协同控制技术,实现了坚硬岩层结构失稳尺度的有效控制,降低了回采工作面及巷道矿压显现强度。

4 应用效果

项目研究成果在塔山煤矿8218工作面进行了现场应用，节省巷道返修费用840万元，在工作面回采期间未发生强矿压显现，无人员伤亡，提高了工作效率，有利于保护井下工作人员的身体健康和生命安全，为类似条件工作面提供借鉴。

本项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，达到国际领先水平。