显微镜下煤层裂隙特征：近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

显微镜下煤层裂隙特征：近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律研究背景单位：1.中国矿业大学（北京） 共伴生能源精准开采北京市重点实验室；2.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院；3.山煤集团左云草垛沟煤业有限公司(3)覆岩裂隙带发育形态探测结果显示了近距离煤层间重复采动影响下8-2与11煤层层间存在稳定岩层且岩层厚度最小为12.2ｍ，稳定岩层无离层或裂隙具有一定的完整性与承载力。近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律作者：赵毅鑫1 2，刘文超1 2，张 村1 2，刘焕海3，魏 勇3，王朋朋1 2，师洋洋1 2，翟江澎1 2，高 森1 2

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创新点

(1)推导并解析了巷柱式采空区交汇处顶板岩梁弯曲下沉挠度函数，顶板-煤柱系统产生弹性形变且顶板岩梁在相邻介质交界面的弯曲下沉挠度具有连续性，顶板岩梁弯曲下沉在巷柱式采空区交汇处最大为2cm；模拟得到了11煤巷柱式开采下顶板上覆岩层裂隙带发育高度在1.2~3.5m。

(2)建立了工作面走向不同区段载荷对底板采动附加应力与底板岩层损伤破坏深度模型，采动应力影响下11煤巷柱式采空区煤柱稳定性安全系数F=4.63，其顶板－煤柱系统平衡结构仍具有稳定性；综合8201工作面底板破坏深度理论和模拟值确定了8^-2与11煤层层间存在稳定岩层且厚度至少14ｍ。

(3)覆岩裂隙带发育形态探测结果显示了近距离煤层间重复采动影响下8^-2与11煤层层间存在稳定岩层且岩层厚度最小为12.2ｍ，稳定岩层无离层或裂隙具有一定的完整性与承载力。

近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

作者：赵毅鑫^{1 2}，刘文超^{1 2}，张 村^{1 2}，刘焕海³，魏 勇³，王朋朋^{1 2}，师洋洋^{1 2}，翟江澎^{1 2}，高 森^{1 2}

单位：1.中国矿业大学（北京） 共伴生能源精准开采北京市重点实验室；2.中国矿业大学（北京） 能源与矿业学院；3.山煤集团左云草垛沟煤业有限公司

研究背景

兼并重组整合矿井是以整合井田内煤炭资源提高煤矿集中度、满足经济发展与市场需求加快煤炭资源开发建设、提高机械化程度保证煤矿安全高效生产、延长矿井服务年限促进煤矿可持续发展增加企业经济效益为目的。兼并重组整合设计不规范开采工艺简单、生产技术落后机械化程度低、工作面煤炭资源采出率低安全基础薄弱、煤炭生产集中度低煤炭资源破坏严重的矿井。整合矿井井田及周边采空区、巷道分布及关闭情况等导致生产地质环境比较复杂，给矿井安全高效生产带来挑战。近年来，国内学者针对近距离煤层上行开采进行了大量研究并取得了诸多有价值的成果。

综合前沿研究可知，对近距离煤层上行开采期间采场围岩应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律的研究相对较少。草垛沟矿是兼并重组整合矿井，由原大同市左云县鹊山镇的斗子湾矿、草垛沟矿、镜子沟矿，管家堡乡曹家沟矿、斗子湾矿和张家场乡窑湾矿以及已经关闭的南梁矿和县营小西沟矿重组整合后的矿井。井田内主要可采煤层自上而下为5，8^-1，8^-2，11，14煤层，其中5，11，14煤层已回采结束，导致中间厚度较小的8^-2煤层处于蹬空状态。为延续接替开采工作面，确保工作面安全高效生产，如何开采被蹬空且受下部11煤层开采影响更大、层间距更小的8^-2煤层煤炭资源是目前亟需解决的关键问题。

摘 要

针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题。以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景，通过对8^-2煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析，建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型，推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数。

将工作面底板视为半无限平面体，建立工作面走向不同区段静载荷对底板采动附加应力模型，得到底板不同深度处应力分布规律及其岩层损伤破坏深度解析解；运用数值模拟软件对8^-2与11煤层回采过程采场围岩应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律进行模拟研究，确定8^-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度；通过制定现场专项钻孔探测方案对下伏11煤巷柱式采空区覆岩裂隙带发育形态展开探测研究。

研究结果表明：①顶板岩梁在相邻介质交界面的弯曲下沉挠度具有连续性且在巷柱式采空区交汇处弯曲下沉最大为2cm；②8201综采工作面回采期间受采动应力影响下巷柱式采空区顶板-煤柱系统形成的稳定平衡结构仍具有稳定性，综合理论计算、数值模拟结果可确定8^-2与11煤层层间存在稳定岩层且最小厚度D_min1为14m；③专项钻孔探测显示了8^-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度D_min2为12.2m。因此，近距离煤层间重复采动影响下8201综采工作面底板存在稳定岩层且岩层较完整具有一定的承载能力，排除蹬空开采期间下伏11煤层潜在安全隐患。

部分图片

工作面概况

各煤层导水裂隙带预计高度示意

顶板-煤柱系统示意

11煤巷柱式采空区顶板岩梁弯曲下沉示意

数值模拟模型

工作面采动应力云图

采场覆岩裂隙演化示意

工作面底板力学模型

工作面底板应力分布

煤壁下方底板塑性破坏力学模型

工作面采动应力云图

工作面回采期间覆岩采动裂隙发育曲线

采场覆岩采动裂隙演化

8201工作面回采巷道钻探布置

钻孔窥视结果

下伏11煤巷柱式采空区上覆岩层裂隙带分布

作者简介

赵毅鑫，男，汉族，中共党员，祖籍河北乐亭，生于河南洛阳，教授、博导，现任中国矿业大学（北京）科学技术研究院院长、共伴生能源精准开采北京市重点实验室副主任、煤矿灾害预防与处置应急管理部重点实验室副主任；教育部新世纪优秀人才，北京市科技新星，中国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才，孙越崎青年科技奖、中国岩石力学与工程学会青年奖、首届全国青年岩土力学与工程创新创业大赛一等奖、国际IAAM科学家奖获得者。兼任国际岩石力学学会（ISRM）Sorptive Rocks专委会主席（2021—）、ISRM Deep Mining专委会委员（2020—），国际采矿教授联合会（SOMP）科技发展委员会委员（2018—2019），中国岩石力学与工程学会理事、中国岩石力学与工程学会软岩工程委员会常务理事、中国岩石力学与工程学会岩石动力学专委会委员等。担任Journal of Applied Geophysics副主编、Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering、International Journal of Coal Science and Technology、煤炭学报等期刊编委，以及JGR、IJRMMS、RMRE等40余种国际国内主流学术期刊的经常性审稿人。

研究方向

主要研究方向冲击地压机理及预警防治，矿山岩体多尺度表征及力学行为、采动损害多尺度多场耦合分析，岩石力学与采矿工程交叉问题等

主要成果

主持国家自然科学基金联合基金重点项目等省部级以上纵向科研项目20余项，发表SCI、EI收录论文180余篇，合作出版专著6部，获授权发明专利23项，参编国家标准1项，曾获得省部级一等奖5项、二等奖8项等。

来源：

赵毅鑫，刘文超，张村，等. 近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律［J］. 煤炭学报 2022 47(1):259-273.

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