1 立項背景

我國厚煤層儲量及產(chǎn)量在全國煤炭儲量及產(chǎn)量中占比40%～46%，近些年，厚煤層綜放開采的理論與技術(shù)得到了長足發(fā)展。山西、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅等普遍存在厚度超過8m 的特厚煤層，在特厚煤層開采中，會遇到回采巷道變形大、壓架等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此特厚煤層的開采技術(shù)研究顯得極其重要，對厚及特厚煤層（8-14m）的綜放開采理論是實踐中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。針對大同塔山8216工作面開采條件，通過實驗室試驗、物理模擬試驗以及數(shù)值計算，研究探討了特厚煤層開采下，覆巖運(yùn)動及受力特征，通過有限變形理論建立覆巖力學(xué)模型。

2 項目主要研究內(nèi)容如下

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

圖1 TAW2000型微機(jī)伺服試驗機(jī)

圖2 試樣安裝示意圖

上圖為TAW2000 型微機(jī)伺服試驗機(jī),試驗使用TAW2000型微機(jī)伺服巖石三軸剪切試驗機(jī)，該試驗機(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、卸壓、循環(huán)、孔隙滲透等多項試驗。

研究發(fā)現(xiàn)溫度、圍壓和瓦斯壓力對彈性模量、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，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，并通過試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的有效性。

（3）通過物理模擬和數(shù)值計算分析了特厚煤層開采條件下覆巖運(yùn)動與受力特征。（見圖3圖4）

圖3 相似模擬實驗開挖數(shù)據(jù)記錄過程

圖4 數(shù)值計算開挖時垂直方向位移變化云圖

堅硬頂板條件下，頂板破斷發(fā)生在工作面推進(jìn)約200m 時，覆巖破斷結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)簡支梁、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)增長趨勢。隨工作面推進(jìn)，遠(yuǎn)場關(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，其原因為關(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，隨著關(guān)鍵層中破斷塊體的相對運(yùn)動充分，內(nèi)部應(yīng)力有所減小。由于遠(yuǎn)場關(guān)鍵層為堅硬巖層，破斷后形成相對穩(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)對遠(yuǎn)場關(guān)鍵層進(jìn)行主動致裂。

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

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

3 本項目取得了如下創(chuàng)新性成果

（1）研究了特厚煤層開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）建立了特厚煤層開采條件下的大變形-非連續(xù)計算方法，揭示了開采擾動下覆巖破壞規(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)動特征，建立了基于有限變形理論的高位關(guān)鍵層運(yùn)動模型，針對性地提出了高位關(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，工作面回采過程中并未發(fā)生冒頂及沖擊地壓等動力災(zāi)害事故，而且多回收了10萬噸煤炭，按每噸煤凈收益100元計算，多創(chuàng)收1000萬元。本課題對大同礦區(qū)堅硬頂板條件下特厚煤層開采條件下覆巖運(yùn)動及受力進(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。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的科技成果鑒定，達(dá)到國際先進(jìn)水平。