復(fù)雜條件堅(jiān)硬巖層控制理論與技術(shù)

1 立項(xiàng)背景

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司現(xiàn)主采侏羅系與石炭二疊系煤層共同賦存的雙系煤田，其上部侏羅紀(jì)系煤層趨于枯竭，下部石炭二疊系煤層可采儲(chǔ)量多達(dá)300億噸。石炭二疊系煤層賦存深度較大，煤層厚度大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頂板巖層及煤層均較為堅(jiān)硬。堅(jiān)硬巖層因其自身強(qiáng)度較高，不易垮落，當(dāng)大面積懸露時(shí)，將導(dǎo)致采空區(qū)空間逐漸增大，支承壓力和工作面支架阻力不斷增加，當(dāng)大面積堅(jiān)硬巖層失穩(wěn)時(shí)，頂板積聚的彈性能釋放，造成工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，破壞生產(chǎn)支護(hù)設(shè)備，威脅井下人員的生命安全。塔山煤礦、同忻煤礦作為開采石炭二疊系煤層的千萬噸級(jí)主力礦井，在開采過程中遇到了多次強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)為：(1)采空區(qū)頂板大面積垮落并伴有響聲；(2)液壓支架增阻明顯、安全閥開啟頻繁；(3)臨空巷道底鼓和片幫嚴(yán)重、煤炮響聲；(4)超前支撐壓力影響范圍大，并且采空區(qū)后方也受到強(qiáng)烈影響；(5)覆巖運(yùn)動(dòng)范圍大等特征。上述問題給礦井安全高效生產(chǎn)帶來了較大影響。

針對(duì)以上工程實(shí)際，大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司與阜新工大礦業(yè)科技有限公司合作研究，項(xiàng)目通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與工程實(shí)踐，針對(duì)大同礦區(qū)雙系賦存、堅(jiān)硬巖層、多層采動(dòng)、特厚煤層開采等復(fù)雜條件，從堅(jiān)硬巖層力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)特征、礦壓顯現(xiàn)特征等出發(fā)，應(yīng)用工程控制論、板殼理論、塑性力學(xué)等，建立了堅(jiān)硬巖層失穩(wěn)結(jié)構(gòu)模型，分析其力學(xué)特性，確定失穩(wěn)判據(jù)，闡明堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)演化過程，揭示堅(jiān)硬巖層失穩(wěn)對(duì)工作面礦壓顯現(xiàn)的作用機(jī)制，提出了綜放開采堅(jiān)硬巖層控制技術(shù)，建立了“地質(zhì)動(dòng)力條件評(píng)價(jià)－堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)演化理論－堅(jiān)硬巖層防治技術(shù)體系”三位一體的理論技術(shù)體系。

2 研究?jī)?nèi)容

項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如下：

應(yīng)用地質(zhì)動(dòng)力條件評(píng)價(jià)方法，建立了大同礦區(qū)地質(zhì)動(dòng)力條件評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分別對(duì)構(gòu)造凹地、地形地貌條件等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，見表1。

表1大同礦區(qū)地質(zhì)動(dòng)力條件評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面上覆巖層垮落帶與裂隙帶范圍的準(zhǔn)確劃分，采用EH-4大地電磁法對(duì)實(shí)體煤和采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)分兩個(gè)階段進(jìn)行：①工作面開采前實(shí)體煤探測(cè)；②工作面開采后采空區(qū)探測(cè)。通過對(duì)比工作面采前、采后上覆巖層的電阻率特征，來確定工作面上覆巖層垮落帶與裂隙帶范圍。第一階段探測(cè)方案為：在8100工作面對(duì)應(yīng)的地表布置兩條測(cè)線，1#測(cè)線布置在8100工作面未開采區(qū)域的地表，2#測(cè)線布置在8100工作面已開采區(qū)域的地表，具體測(cè)線布置如圖1所示。其中1#測(cè)線方位近南北，長(zhǎng)度為160 m，共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，受地形條件的限制，測(cè)線沒有完全覆蓋整個(gè)工作面長(zhǎng)度范圍；2#測(cè)線方位NW21°，長(zhǎng)度為340 m，共18個(gè)測(cè)點(diǎn)。第二階段探測(cè)方案為：沿著1#、2#測(cè)線進(jìn)行重復(fù)探測(cè)，此時(shí)8100工作面已開采經(jīng)過1#測(cè)線。1#測(cè)線大地電阻率二維反演結(jié)果如圖2所示，2#測(cè)線大地電阻率二維反演結(jié)果如圖3所示。

EH-4探測(cè)表明，巖層中裂隙與破碎帶發(fā)育程度隨著遠(yuǎn)離工作面而逐漸減弱，造成堅(jiān)硬巖層漸次失穩(wěn)特征，大同礦區(qū)石炭系煤層開采后存在高位堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)，可形成壓力拱，對(duì)礦壓顯現(xiàn)具有控制作用。

圖1 EH-4沿線布置圖

圖2 1#測(cè)線大地電阻率二維反演圖

圖3 2#測(cè)線大地電阻率二維反演圖

基于大同礦區(qū)石炭系煤層覆巖硬、厚特征，特厚煤層綜放開采形成大采場(chǎng)空間，覆巖結(jié)構(gòu)范圍不僅局限于基本頂范圍，相較常規(guī)煤層開采其結(jié)構(gòu)具有更大尺度。根據(jù)不同層位堅(jiān)硬巖層礦壓控制作用的不同，可將堅(jiān)硬巖層劃分為高、中、低位三類，低位堅(jiān)硬巖層控制工作面周期小壓，中位堅(jiān)硬巖層控制工作面周期大壓，高位堅(jiān)硬巖層控制工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。因此，不同層位、不同階段堅(jiān)硬巖層失穩(wěn)具有不同模式，應(yīng)用關(guān)鍵層理論及板殼力學(xué)理論，建立堅(jiān)硬巖層大空間采場(chǎng)“多層位板式結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4堅(jiān)硬巖層大空間采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 創(chuàng)新成果

本項(xiàng)目取得了如下創(chuàng)新性成果：

（1）提出了大同礦區(qū)地質(zhì)動(dòng)力條件評(píng)價(jià)方法，建立了該礦區(qū)石炭系特厚煤層特征、運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)力特征綜合分析方法,提出了堅(jiān)硬巖層大空間采場(chǎng)失穩(wěn)理論，揭示了堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬巖層開采覆巖運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的預(yù)測(cè)。

（2）提出了一種堅(jiān)硬巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)試方法,闡明了“低位懸臂結(jié)構(gòu)→中位砌體結(jié)構(gòu)→高位壓力拱結(jié)構(gòu)”的漸進(jìn)失穩(wěn)特征。

（3）提出了多層位堅(jiān)硬巖層協(xié)同控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)尺度的有效控制,降低了回采工作面及巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目研究成果在塔山煤礦8218工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，節(jié)省巷道返修費(fèi)用840萬元，在工作面回采期間未發(fā)生強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)，無人員傷亡，提高了工作效率，有利于保護(hù)井下工作人員的身體健康和生命安全，為類似條件工作面提供借鑒。

本項(xiàng)目于2020年1月通過了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。