充分采动全地层覆岩联动作用机理研究

研发起止时间：2016年07月～2017年12月

完成单位：大同煤矿集团有限责任公司、中国矿业大学

成果水平：国际先进

1 立项背景

大同矿区属双系煤层开采，现正转向下部石炭系特厚煤层开采，双系层间岩层厚度150 m～200 m，多个矿井在石炭系特厚煤层开采期间，频繁出现压架、巷道底鼓破坏、顶板大幅下沉等严重的矿压问题，对矿井的安全高效生产造成极大的危害。寻求揭示此类条件下强矿压发生机理，探究并制定相应的顶板控制对策以保障安全高效开采，是大同矿区亟待解决的理论与技术难题。

工作面的矿压显现与采动覆岩关键层结构形态及其运动规律息息相关，同时随着开采区域的扩大，覆岩破断、运动高度不断增加，亦会引起覆岩关键层结构形态及其运动规律的变化，表明采动覆岩关键层破断特征、结构形态及其运动规律与开采空间尺寸密不可分，对于特厚煤层综放开采大空间采场矿压显现更是与开采空间尺寸密切相关，存在明显的尺寸效应。因此，结合矿井实际生产条件，对充分采动条件下覆岩关键层破断运移规律进行实测研究，据此掌握大同矿区特厚煤层开采大空间采场整个覆岩范围内远、近场关键层结构时空演变特征及其对采场矿压的影响机制，对大同矿区石炭系特厚煤层的安全高效开采具有重要理论意义。

2 研究内容

本项目选取同忻煤矿8202工作面（一侧为8203工作面采空区，另一侧为实体煤）为试验研究对象，采用采场矿压、覆岩内部岩移、地表沉陷的井上下“三位一体”联合观测，同时对8203工作面覆岩内部岩层移动、地表沉陷规律继续进行跟踪观测。考虑到双面累计采宽近450 m，覆岩处于充分采动状态，此研究对于掌握整个覆岩范围内关键层破断结构形态及其运动规律、远场关键层破断运移对采场矿压的影响机制具有重要意义，可为矿区强矿压显现的有效控制提供基础和依据。项目主要研究内容如下：

（1）构建了特厚煤层井下矿压、覆岩运移、地表沉陷“三位一体”原位监测技术体系。综合运用GPS测量系统、地面钻孔多点位移监测系统及采场支架工作阻力监测系统，形成从地面到采场的覆岩全地层三维空间立体监测体系，为揭示大同煤矿集团特厚煤层综放开采充分采动条件下覆岩关键层破断运动规律研究提供新的的研究手段。

图1 GPS测量系统固定基站

图1为地表沉陷的监测，全程使用风云K98T型静态GPS 测量系统，该系统具有精度高（测量误差±10 mm），便携的优点，能够很好地适应山地地形起伏，落差大等复杂地貌条件。

图2中的地面钻孔多点位移监测系统是针对岩层运动特别是关键层运动连续监测所专门研制的，该系统的最大监测深度800 m，适应钻孔直径范围90 mm～150 mm，最大位移变化范围为20 m，分辨率为0.01 mm，观测数据除了可以进行本地采集仪内部存储，同时还可以通过移动网络进行远程在线传输。

（2）提出了不同层位“砌体梁”结构关键块体回转速度差异引起覆岩载荷下传的理念，并基于弹塑性力学、岩石力学，建立了“砌体梁”结构关键块体回转速度力学模型。稳定的“砌体梁”结构，具有“三铰拱”式承载特征将上覆载荷传递至前方实体煤及采空区垮落矸石。因此，关键层破断块体回转运动至终态形成稳定的“砌体梁”结构后，上覆岩层破断运动将不会影响矿压。因此，覆岩关键层破断运动对矿压的影响时机发生于块体回转过程之中，着眼于“砌体梁”结构铰接块体回转过程，考量采场上覆不同层位关键层破断运动对矿压是否存在影响及其影响程度。

（3）根据确定的相似比及同忻煤矿8202工作面实际地层力学参数，通过设计不同配比，制作试件，通过室内力学试验测取物理力学参数，物理模拟显示在煤层间距相对采高较大情况下，上覆遗留煤柱对下煤层开采压架影响很小或者几乎没有影响。在工作面进入采空煤柱并出煤柱10 m的过程中，下位的亚关键层产生垮落并引起高位关键层产生弯曲变形；在工作面从出煤柱10 m左右一直到出煤柱40 m的过程中，高位关键层裂纹开始萌生并持续发育；当下煤层工作面开采至出煤柱42 m左右时，裂纹迅速扩展并形成贯穿关键层的宏观裂纹，高位关键层迅速破坏失稳；由于遗留煤柱受覆岩集中应力作用，较大区域进入塑性状态，在高位关键层垮落过程中未产生急剧崩解，对下煤层工作面回采影响较小。

（4）基于下煤层采厚和煤层间距双重影响因素的综合研究，提出了层间采厚比作为影响矿压发生的指标，并由此给出了特厚煤层过侏罗系煤柱综放开采条件下矿压灾害发生的临界条件。特厚煤层综放开采过跨系煤层遗留煤柱发生矿压灾害在一定的范围之内，是多种因素综合作用的结果,根据其地质特征，以煤层间距和下煤层采厚最为关键。

3 创新成果

本项目取得了如下创新性成果：

（1）研发了采动覆岩运移与采空区应力监测系统，研究了充分采动条件下覆岩全地层联合下沉运动特征，揭示了采空区应力演化规律；

（2）构建了“砌体梁”结构关键块体回转速度力学模型，分析了充分采动条件下不同层位关键块体回转过程中的载荷传递特征，建立了基于回转速度的载荷传递量表征方法，研究了不同应力路径下煤体变形和破坏机制；

（3）研发了三维多功能实验平台及协同监测方法，分析了充分采动条件下高位关键层与下伏岩体破断裂隙发育次序及位移变化特征，揭示了充分采动条件下高位关键层“横U-Y”破断形式及破断块体结构失稳机理；

4 应用效果

本项目有效指导了水压致裂弱化高位关键层的强矿压控制对策的实施，最大限度缓解了特厚煤层充分开采工作面压架等强矿压灾害的发生，为矿井的安全高效生产提供了可靠的保障。研究成果在同忻矿8202工作面进行了现场应用，产生直接经济效益3 900多万元。

本项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，获国际先进水平。