1 立項(xiàng)背景

我國(guó)厚煤層儲(chǔ)量及產(chǎn)量在全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量及產(chǎn)量中占比40%～46%，近些年，厚煤層綜放開(kāi)采的理論與技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。山西、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅等普遍存在厚度超過(guò)8m 的特厚煤層，在特厚煤層開(kāi)采中，會(huì)遇到回采巷道變形大、壓架等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此特厚煤層的開(kāi)采技術(shù)研究顯得極其重要，對(duì)厚及特厚煤層（8-14m）的綜放開(kāi)采理論是實(shí)踐中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)大同塔山8216工作面開(kāi)采條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、物理模擬試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算，研究探討了特厚煤層開(kāi)采下，覆巖運(yùn)動(dòng)及受力特征，通過(guò)有限變形理論建立覆巖力學(xué)模型。

2 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如下

（1）以正交實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，開(kāi)展了不同溫度、不同圍壓、不同瓦斯壓力作用下煤巖的常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，分析了各因素對(duì)煤巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響。（見(jiàn)圖1圖2）

圖1 TAW2000型微機(jī)伺服試驗(yàn)機(jī)

圖2 試樣安裝示意圖

上圖為T(mén)AW2000 型微機(jī)伺服試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)使用TAW2000型微機(jī)伺服巖石三軸剪切試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)包括圍壓、軸壓、水壓、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、軸向位移等多個(gè)通道，具有多種加載模式，各種加載模式可隨意轉(zhuǎn)換?？赏瓿沙Ｒ?guī)單軸和三軸試驗(yàn)、卸壓、循環(huán)、孔隙滲透等多項(xiàng)試驗(yàn)。

研究發(fā)現(xiàn)溫度、圍壓和瓦斯壓力對(duì)彈性模量、峰值應(yīng)力、泊松比、裂紋閉合應(yīng)力、裂紋啟裂應(yīng)力以及斷面分形維數(shù)影響的顯著性水平均在90%以上。且瓦斯壓力對(duì)彈性模量、峰值應(yīng)力、泊松比、裂紋啟裂應(yīng)力的影響權(quán)重最大，圍壓次之，溫度最??；圍壓對(duì)裂紋閉合應(yīng)力的影響權(quán)重最大，瓦斯次之，溫度最??；溫度對(duì)斷面分形維數(shù)的影響權(quán)重最大，瓦斯次之，圍壓最小。

（2）基于有限變形理論，以平均整旋角為指標(biāo)分析了煤巖變形破壞過(guò)程，并建立了基于平均整旋角的煤巖大變形本構(gòu)方程。

在壓密階段，由于煤巖內(nèi)孔隙閉合，產(chǎn)生局部變形較大，平均整旋角和耗散能密度增長(zhǎng)較快；在彈性階段，煤巖局部變形較小，能量密度和平均整旋角增加速率較緩；在接近峰值時(shí)，能量密度急劇增加，而平均整旋角則有增大和回落兩種現(xiàn)象。由于平均整旋角伴隨著煤巖變形破壞過(guò)程，將其作為煤巖本構(gòu)模型的參數(shù)，建立了基于平均整旋角的煤巖大變形本構(gòu)方程，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性。

（3）通過(guò)物理模擬和數(shù)值計(jì)算分析了特厚煤層開(kāi)采條件下覆巖運(yùn)動(dòng)與受力特征。（見(jiàn)圖3圖4）

圖3 相似模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)挖數(shù)據(jù)記錄過(guò)程

圖4 數(shù)值計(jì)算開(kāi)挖時(shí)垂直方向位移變化云圖

堅(jiān)硬頂板條件下，頂板破斷發(fā)生在工作面推進(jìn)約200m 時(shí)，覆巖破斷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)簡(jiǎn)支梁、多懸臂梁耦合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。根據(jù)物理模擬結(jié)果顯示，覆巖破斷形貌的分形維數(shù)隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨工作面推進(jìn)，遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層上的主應(yīng)力逐漸演化為水平方向，且隨工作面推進(jìn)先增大后減小，其原因?yàn)殛P(guān)鍵層破斷后的塊體形成的砌體梁結(jié)構(gòu)，破斷塊體相互擠壓咬合，造成了應(yīng)力方向和大小的變化，同時(shí)，隨著關(guān)鍵層中破斷塊體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)充分，內(nèi)部應(yīng)力有所減小。由于遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層為堅(jiān)硬巖層，破斷后形成相對(duì)穩(wěn)定砌體梁咬合結(jié)構(gòu)，壓力傳導(dǎo)作用較強(qiáng)，導(dǎo)致工作面前方壓力不斷積聚，持續(xù)增大，工程中應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)關(guān)鍵層進(jìn)行主動(dòng)致裂。

（4）基于物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果，建立了覆巖運(yùn)動(dòng)整體力學(xué)模型，并通過(guò)有限變形理論對(duì)模型進(jìn)行求解。

特厚煤層開(kāi)采過(guò)程中，覆巖結(jié)構(gòu)演化及其復(fù)雜，不能通過(guò)桿、板、殼單一模型進(jìn)行描述，整體考慮采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)，借助有限開(kāi)采長(zhǎng)度下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)有限變形理論，推導(dǎo)出關(guān)鍵層應(yīng)變場(chǎng)解析公式，進(jìn)而求得應(yīng)力場(chǎng)分布，通過(guò)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較表明，該模型可以較好描述特厚煤層開(kāi)采條件下關(guān)鍵層受力特征。

3 本項(xiàng)目取得了如下創(chuàng)新性成果

（1）研究了特厚煤層開(kāi)采條件下煤巖的大變形力學(xué)行為，分析了溫度、地應(yīng)力以及瓦斯壓力對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響，建立了煤巖大變形本構(gòu)方程；

（2）建立了特厚煤層開(kāi)采條件下的大變形-非連續(xù)計(jì)算方法，揭示了開(kāi)采擾動(dòng)下覆巖破壞規(guī)律，確定了高位關(guān)鍵層是引發(fā)強(qiáng)礦壓的主要因素；

（3）根據(jù)覆巖運(yùn)動(dòng)特征，建立了基于有限變形理論的高位關(guān)鍵層運(yùn)動(dòng)模型，針對(duì)性地提出了高位關(guān)鍵層的控制方法。

4 應(yīng)用情況

研究成果在塔山礦獲得成功應(yīng)用，取得了一定經(jīng)濟(jì)效益。截止到2019年底，工作面回采過(guò)程中并未發(fā)生冒頂及沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害事故，而且多回收了10萬(wàn)噸煤炭，按每噸煤凈收益100元計(jì)算，多創(chuàng)收1000萬(wàn)元。本課題對(duì)大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板條件下特厚煤層開(kāi)采條件下覆巖運(yùn)動(dòng)及受力進(jìn)行了分析研究，有效指導(dǎo)了工作面參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和地面壓裂技術(shù)，為生產(chǎn)提供了一個(gè)安全的工作環(huán)境，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供了保障。

本項(xiàng)目于2020年1月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。