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煤炭学报 2020年第1期45卷 35-43页

作者：许家林秦伟轩大洋朱卫兵中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历... 详细信息

地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。

关键词：卸荷膨胀累积效应关键层岩层移动覆岩隔离注浆充填绿色开采

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采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素

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煤炭学报 2022年第1期47卷 115-127页

作者：许家林秦伟陈晓军胡国忠谢建林王晓振朱卫兵中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程,将覆岩卸荷膨胀总量随卸荷高度及承受载荷不断累积而发生动态变化的现象称为采动覆岩卸荷膨胀累积效应。采动覆岩卸荷膨胀累积效应是岩层移动过程中的自然现象,对岩层移动规律具有重要影响。... 详细信息

采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程,将覆岩卸荷膨胀总量随卸荷高度及承受载荷不断累积而发生动态变化的现象称为采动覆岩卸荷膨胀累积效应。采动覆岩卸荷膨胀累积效应是岩层移动过程中的自然现象,对岩层移动规律具有重要影响。基于修正后的采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型,以山西赵庄煤矿1311工作面内部岩层移动实测结果为基础,针对采高、采深和岩性对采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响开展了理论研究。结果表明:采动覆岩卸荷膨胀总量主要由垮落带和裂隙带的塑性膨胀与主关键层下部弯曲下沉带的弹性膨胀所组成,其中垮落带的塑性膨胀占比最大,弯曲下沉带的弹性膨胀占比最小。采动覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度的逐步增大呈现先增大到峰值后再逐步减小的过程,当覆岩主关键层破断后,弯曲下沉带的弹性膨胀量降为0,此时覆岩卸荷膨胀总量达到最小值,为覆岩残余膨胀量。采高对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采高条件下垮落带与裂隙带高度不同。覆岩卸荷膨胀总量随采高的增大而增加,当采高由2.5 m增大至10.5 m时,卸荷膨胀总量峰值和残余碎胀量均增大3倍以上。与采高相比,采深变化一般不会改变垮落带与裂隙带高度,采深对覆岩卸荷膨胀总量峰值影响较小。采深对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采深条件下覆岩残余膨胀量的不同,覆岩残余膨胀量随采深增大而减小,当采深由496.6 m增加至896.5 m时,覆岩残余膨胀量减少了32.5%。岩性对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同岩性碎胀煤岩被压实的难易程度不同,覆岩卸荷膨胀总量随岩性的变硬而增加。当初始切线模量和弹性模量由降低50%到增大50%时,覆岩卸荷膨胀总量峰值增加4.3%,但覆岩残余膨胀量增加110%。覆岩残余膨胀量决定了地表下沉系数大小,因此,覆岩卸荷膨胀累积效应可影响地表下沉系数变化规律。采高对地表下沉系数的影响并非单调线性的,下沉系数随采高增大是微量减小还是微量增大取决于关键层位置对裂隙带高度的影响情况。在充分采动条件下,由于塑性膨胀区残余膨胀量随采深增大而减小,下沉系数随采深增大而增大。当岩性由软变硬时,塑性膨胀区越不易被压缩,地表下沉系数相应减小。

关键词：卸荷膨胀累积效应关键层岩层移动下沉系数绿色开采

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岩层控制的全柱状学术思想与实践

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煤炭学报 2025年第1期50卷 166-179页

作者：许家林朱卫兵轩大洋王晓振秦伟金洪伟鞠金峰胡国忠谢建林屈庆栋吴仁伦汪锋何昌春李竹中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054 中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 澳大利亚联邦科学与工业研究组织可持续采矿技术研究所澳大利亚昆士兰4069 中国矿业大学(北京)能源与矿业工程学院北京100083 山东科技大学能源与矿业工程学院山东青岛266590 东华理工大学土木与建筑工程学院江西南昌330013

岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学,目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限:对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾,仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运... 详细信息

岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学,目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限:对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾,仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运动的研究。针对这些问题,在关键层理论应用研究过程中,形成了岩层控制的“全柱状”学术思想,其内涵包括2方面:一是“抓主要矛盾”,找到对岩层运动起主要控制作用的关键层(即主要矛盾),避免对覆岩均化处理。二是“关注全局”,将采动覆岩作为整体研究,充分考虑关键层所处的复杂地层场景条件可能对关键层破断的影响,从整个岩层移动角度研究矿压显现、水与瓦斯运移、开采沉陷等。按照全柱状学术思想研究岩层控制时,首先需要获取研究区域内不同开采尺度(矿井、采区、工作面及块段)地层的钻孔“全柱状”,即包含从开采煤层直到地表所有岩层信息的全取心完整柱状,根据研究区域内多个钻孔柱状的关键层判别,形成研究区域内岩层赋存特征的整体画像,避免仅采用局部柱状或综合柱状,也不能对全柱状进行均化处理。充分考虑原岩应力、地质构造、地形地貌、水体载荷、开采部署等多种具体场景因素可能导致的关键层受载差异与破断异常,以及不同区域柱状关键层位置的变化可能对岩层运动产生的影响。在此基础上,建立关键层运动与各种采动损害的联系,据此分析问题发生机理并提出针对性的岩层控制方法。全柱状学术思想推进了岩层控制理论发展与实践创新,解决了压架、突水、沉陷等灾害防控的系列工程难题,取得了显著成效。利用全柱状学术思想取得的岩层控制理论创新主要包括:揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应,建立了采动覆岩“关键层-松散层拱”结构模型,提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法,建立了基于关键层结构的地表沉陷预计方法,为工程应用奠定了基础。全柱状学术思想在工程应用方面的典型实例包括:找出了浅埋煤层沟谷上坡段、松散承压含水层下等特定条件下开采压架的根本原因,彻底解决了压架防治工程难题;量化关键层位置对“导高”的影响,解决了顶板异常突水防治难题;提出了煤层群卸压瓦斯的“三带”分布,指导了卸压瓦斯抽采实践;研发了覆岩隔离注浆充填技术,创建了地面钻孔一注式高效充填绿色开采新模式,解决了地表沉陷控制等难题,已得到全面推广应用。

关键词：全柱状关键层卸荷膨胀累积效应岩层控制绿色开采

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