特厚煤层开采扰动下岩层移动及矿压显现规律研究

1 立项背景

我国厚煤层储量及产量在全国煤炭储量及产量中占比40%～46%，近些年，厚煤层综放开采的理论与技术得到了长足发展。山西、陕西、内蒙古、甘肃等普遍存在厚度超过8m 的特厚煤层，在特厚煤层开采中，会遇到回采巷道变形大、压架等强矿压显现现象，因此特厚煤层的开采技术研究显得极其重要，对厚及特厚煤层（8-14m）的综放开采理论是实践中亟需解决的关键技术问题。针对大同塔山8216工作面开采条件，通过实验室试验、物理模拟试验以及数值计算，研究探讨了特厚煤层开采下，覆岩运动及受力特征，通过有限变形理论建立覆岩力学模型。

2 项目主要研究内容如下

（1）以正交实验方法为基础，开展了不同温度、不同围压、不同瓦斯压力作用下煤岩的常规力学试验，分析了各因素对煤岩物理力学性质的影响。（见图1图2）

图1 TAW2000型微机伺服试验机

图2 试样安装示意图

上图为TAW2000 型微机伺服试验机,试验使用TAW2000型微机伺服岩石三轴剪切试验机，该试验机包括围压、轴压、水压、轴向应变、横向应变、轴向位移等多个通道，具有多种加载模式，各种加载模式可随意转换。可完成常规单轴和三轴试验、卸压、循环、孔隙渗透等多项试验。

研究发现温度、围压和瓦斯压力对弹性模量、峰值应力、泊松比、裂纹闭合应力、裂纹启裂应力以及断面分形维数影响的显著性水平均在90%以上。且瓦斯压力对弹性模量、峰值应力、泊松比、裂纹启裂应力的影响权重最大，围压次之，温度最小；围压对裂纹闭合应力的影响权重最大，瓦斯次之，温度最小；温度对断面分形维数的影响权重最大，瓦斯次之，围压最小。

（2）基于有限变形理论，以平均整旋角为指标分析了煤岩变形破坏过程，并建立了基于平均整旋角的煤岩大变形本构方程。

在压密阶段，由于煤岩内孔隙闭合，产生局部变形较大，平均整旋角和耗散能密度增长较快；在弹性阶段，煤岩局部变形较小，能量密度和平均整旋角增加速率较缓；在接近峰值时，能量密度急剧增加，而平均整旋角则有增大和回落两种现象。由于平均整旋角伴随着煤岩变形破坏过程，将其作为煤岩本构模型的参数，建立了基于平均整旋角的煤岩大变形本构方程，并通过试验数据验证了模型的有效性。

（3）通过物理模拟和数值计算分析了特厚煤层开采条件下覆岩运动与受力特征。（见图3图4）

图3 相似模拟实验开挖数据记录过程

图4 数值计算开挖时垂直方向位移变化云图

坚硬顶板条件下，顶板破断发生在工作面推进约200m 时，覆岩破断结构呈现简支梁、多悬臂梁耦合的复杂结构。根据物理模拟结果显示，覆岩破断形貌的分形维数随工作面推进呈现增长趋势。随工作面推进，远场关键层上的主应力逐渐演化为水平方向，且随工作面推进先增大后减小，其原因为关键层破断后的块体形成的砌体梁结构，破断块体相互挤压咬合，造成了应力方向和大小的变化，同时，随着关键层中破断块体的相对运动充分，内部应力有所减小。由于远场关键层为坚硬岩层，破断后形成相对稳定砌体梁咬合结构，压力传导作用较强，导致工作面前方压力不断积聚，持续增大，工程中应对远场关键层进行主动致裂。

（4）基于物理模拟和数值模拟结果，建立了覆岩运动整体力学模型，并通过有限变形理论对模型进行求解。

特厚煤层开采过程中，覆岩结构演化及其复杂，不能通过杆、板、壳单一模型进行描述，整体考虑采场覆岩结构，借助有限开采长度下覆岩运动规律，通过有限变形理论，推导出关键层应变场解析公式，进而求得应力场分布，通过与数值计算结果比较表明，该模型可以较好描述特厚煤层开采条件下关键层受力特征。

3 本项目取得了如下创新性成果

（1）研究了特厚煤层开采条件下煤岩的大变形力学行为，分析了温度、地应力以及瓦斯压力对煤岩力学性质的影响，建立了煤岩大变形本构方程；

（2）建立了特厚煤层开采条件下的大变形-非连续计算方法，揭示了开采扰动下覆岩破坏规律，确定了高位关键层是引发强矿压的主要因素；

（3）根据覆岩运动特征，建立了基于有限变形理论的高位关键层运动模型，针对性地提出了高位关键层的控制方法。

4 应用情况

研究成果在塔山矿获得成功应用，取得了一定经济效益。截止到2019年底，工作面回采过程中并未发生冒顶及冲击地压等动力灾害事故，而且多回收了10万吨煤炭，按每吨煤净收益100元计算，多创收1000万元。本课题对大同矿区坚硬顶板条件下特厚煤层开采条件下覆岩运动及受力进行了分析研究，有效指导了工作面参数进行了优化和地面压裂技术，为生产提供了一个安全的工作环境，为矿井的安全高效生产提供了保障。

本项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，达到国际先进水平。