巨厚煤層重複采動覆岩結構演變及其控制機理研究

《巨厚煤層重複采動覆岩結構演變及其控制機理研究》是依託中國礦業大學，由王旭鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：巨厚煤層重複采動覆岩結構演變及其控制機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王旭鋒
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

大尺度開採空間與多頻次開採擾動下覆岩結構的演變規律是巨厚煤層重複開採采場圍岩控制設計的關鍵基礎之一。基於新疆典型近水平巨厚煤層地質條件，以長壁采場覆岩結構為研究對象，針對覆岩組成結構的差異與開採空間的變化，採用物理模擬和數值計算的方法，系統分析開採過程中覆岩的破斷運動規律，重點研究重複采動時卸荷破斷岩塊間的力學傳遞與鉸接特徵，揭示采動覆岩結構的動態演變過程，掌握隨開採空間擴展與采動次數增加覆岩結構空間形態的變化特徵和邊界約束條件的演化特點，通過系統分析采動覆岩結構的失穩特徵、產生條件及關鍵影響因素，明確采動覆岩穩定性控制機理；結合採動應力變化與裂隙擴展特徵，建立煤壁-支架-覆岩整體結構力學模型，分析覆岩的載荷形式與變化特徵及支架-圍岩相互作用關係，尋求工作面支架阻力計算方法，提出控制采動覆岩失穩的基本對策與有效方法，為巨厚煤層開採頂板控制技術完善、礦井開拓部署最佳化等提供理論借鑑。

結題摘要

新疆作為我國第十四個億噸級煤炭基地，是重要的能源接替區和戰略能源儲備區，區內廣泛賦存有巨厚煤層。本項目針對目前開發較為集中的準東煤田典型巨厚煤層賦存條件，綜合運用現場調研、理論分析、實驗測試、物理模擬和數值計算等方法，圍繞大尺度開採空間擴展與多頻次應力擾動條件下覆岩結構演變特徵及其穩定性控制開展了系統研究。取得的主要成果有： ①明確了初次采動空間變化對岩層破斷運動特徵的影響。基於典型巨厚煤層代表性煤岩樣力學參數，對比分析了養護濕度、時間對相似材料強度的影響，掌握了首采分層一次采出厚度變化對采動應力分布和采動裂隙擴展的影響，即隨首分層采厚增大，頂板裂隙更為發育，覆岩承載結構上移，來壓強度增大。 ②掌握了巨厚煤層重複采動時頂板及覆岩結構的演變過程和形態變化的臨界條件。引入電法測試方法，明確了覆岩裂隙發育程度和岩層電位呈正相關變化關係；覆岩發生二次破斷、頂板鉸接結構弱化並呈現“梁式結構—高位梁式結構—拱式結構”結構演變過程，認為分層采厚是覆岩結構失穩的關鍵影響因素，隨著分層采厚增大，覆岩結構穩定性降低，提出了以深厚比為主要指標的覆岩結構形態判別方法。 ③研究了巨厚煤層多分層開採各階段支架需控圍岩的變化特徵及“支架—圍岩”關係。建立了“煤壁—支架—覆岩”整體結構力學模型，揭示了支架需控圍岩“由梁式結構的基本頂及其下方岩層到拱式結構的拱內鬆散岩塊”的變化特徵，明確了支架載荷主要來源，提出了相應的支架工作阻力計算方法。 ④確定了巨厚煤層“先厚後薄、減少分層”的開採原則，提出了以頂煤冒放性、煤壁穩定性、底煤破壞深度等為約束條件的分層采厚劃分方法和以煤層傾角、開採總厚、覆岩厚度為評價指標的開採工藝選擇原則。探索了“利用煤體碎脹支撐頂板減小采動影響、合理劃分分層采厚利用采動影響多次碎矸提高頂煤放出效果、折返式立體化巷道布置提升開採效率、大範圍梯度開採控制地表台階下沉”等實現巨厚煤層安全高效綠色開採的對策方法。