1 立項背景

大同煤礦集團有限責任公司現(xiàn)主采侏羅系與石炭二疊系煤層共同賦存的雙系煤田，其上部侏羅紀系煤層趨于枯竭，下部石炭二疊系煤層可采儲量多達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)復雜，頂板巖層及煤層均較為堅硬。堅硬巖層因其自身強度較高，不易垮落，當大面積懸露時，將導致采空區(qū)空間逐漸增大，支承壓力和工作面支架阻力不斷增加，當大面積堅硬巖層失穩(wěn)時，頂板積聚的彈性能釋放，造成工作面強礦壓顯現(xiàn)，破壞生產(chǎn)支護設備，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主力礦井，在開采過程中遇到了多次強烈礦壓顯現(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)后方也受到強烈影響；(5)覆巖運動范圍大等特征。上述問題給礦井安全高效生產(chǎn)帶來了較大影響。

針對以上工程實際，大同煤礦集團有限責任公司與阜新工大礦業(yè)科技有限公司合作研究，項目通過現(xiàn)場調(diào)研與工程實踐，針對大同礦區(qū)雙系賦存、堅硬巖層、多層采動、特厚煤層開采等復雜條件，從堅硬巖層力學特性、結(jié)構(gòu)特征、礦壓顯現(xiàn)特征等出發(fā)，應用工程控制論、板殼理論、塑性力學等，建立了堅硬巖層失穩(wěn)結(jié)構(gòu)模型，分析其力學特性，確定失穩(wěn)判據(jù)，闡明堅硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)演化過程，揭示堅硬巖層失穩(wěn)對工作面礦壓顯現(xiàn)的作用機制，提出了綜放開采堅硬巖層控制技術，建立了“地質(zhì)動力條件評價－堅硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)演化理論－堅硬巖層防治技術體系”三位一體的理論技術體系。

2 研究內(nèi)容

項目主要研究內(nèi)容如下：

應用地質(zhì)動力條件評價方法，建立了大同礦區(qū)地質(zhì)動力條件評價指標體系，分別對構(gòu)造凹地、地形地貌條件等8個指標進行綜合評價，見表1。

表1大同礦區(qū)地質(zhì)動力條件評價

為實現(xiàn)對工作面上覆巖層垮落帶與裂隙帶范圍的準確劃分，采用EH-4大地電磁法對實體煤和采空區(qū)進行探測，探測分兩個階段進行：①工作面開采前實體煤探測；②工作面開采后采空區(qū)探測。通過對比工作面采前、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。第一階段探測方案為：在8100工作面對應的地表布置兩條測線，1#測線布置在8100工作面未開采區(qū)域的地表，2#測線布置在8100工作面已開采區(qū)域的地表，具體測線布置如圖1所示。其中1#測線方位近南北，長度為160 m，共9個測點，受地形條件的限制，測線沒有完全覆蓋整個工作面長度范圍；2#測線方位NW21°，長度為340 m，共18個測點。第二階段探測方案為：沿著1#、2#測線進行重復探測，此時8100工作面已開采經(jīng)過1#測線。1#測線大地電阻率二維反演結(jié)果如圖2所示，2#測線大地電阻率二維反演結(jié)果如圖3所示。

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

圖1 EH-4沿線布置圖

圖2 1#測線大地電阻率二維反演圖

圖3 2#測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)不同層位堅硬巖層礦壓控制作用的不同，可將堅硬巖層劃分為高、中、低位三類，低位堅硬巖層控制工作面周期小壓，中位堅硬巖層控制工作面周期大壓，高位堅硬巖層控制工作面強礦壓顯現(xiàn)。因此，不同層位、不同階段堅硬巖層失穩(wěn)具有不同模式，應用關鍵層理論及板殼力學理論，建立堅硬巖層大空間采場“多層位板式結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4堅硬巖層大空間采場結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 創(chuàng)新成果

本項目取得了如下創(chuàng)新性成果：

（1）提出了大同礦區(qū)地質(zhì)動力條件評價方法，建立了該礦區(qū)石炭系特厚煤層特征、運動特征及動力特征綜合分析方法,提出了堅硬巖層大空間采場失穩(wěn)理論，揭示了堅硬巖層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征，實現(xiàn)了堅硬巖層開采覆巖運動及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的預測。

（2）提出了一種堅硬巖層運動狀態(tài)的測試方法,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)”的漸進失穩(wěn)特征。

（3）提出了多層位堅硬巖層協(xié)同控制技術,實現(xiàn)了堅硬巖層結(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)強度。

4 應用效果

項目研究成果在塔山煤礦8218工作面進行了現(xiàn)場應用，節(jié)省巷道返修費用840萬元，在工作面回采期間未發(fā)生強礦壓顯現(xiàn)，無人員傷亡，提高了工作效率，有利于保護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。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會組織的鑒定，達到國際領先水平。