采动覆岩卸荷膨胀累积效应

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。

采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素

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。

覆岩隔离注浆充填技术实践与研究展望

煤层开采后覆岩关键层失去下部支撑,在地层压力作用下断裂沉降是导致一系列采动损害与环境问题的根源,通过充填阻止关键层破断是减少环境损害的源头绿色开采技术。目前我国煤矿充填开采技术得到长足发展,但井下充填采煤存在效率相对较低、成本较高等问题,限制了其推广应用。而创新研发的覆岩隔离注浆充填技术,建立了地面钻孔“一注式减损”高效绿色开采新模式,突破了井下充填效率低的技术瓶颈。覆岩隔离注浆充填是基于采动覆岩卸荷膨胀累积效应对离层产生抑制作用,通过地面钻孔向关键层下进行高压注浆的充填,产生“压下托上”作用,将关键层下方碎胀岩体压实形成支撑体,在采空区形成压实承载结构,阻止关键层断裂。该技术解决了离层注浆充填量少、减沉率低的技术难题,可用于综采、综放工作面,以及单一煤层与多煤层开采;目前该技术已在全国推广应用,解决了东部矿区建筑物压煤开采难题,并在矸石减排、“减震防冲”“减漏保水”等方面开展了工程试验与实践。介绍了“双碳”背景下,针对煤矿充填材料不足问题,进一步研发“煤基固废+CO 2”覆岩隔离注浆充填绿色开采新技术构想,该技术可取得减沉、减漏、减震、减排、减碳等“一注五减”效果,实现煤炭资源的绿色开采与低碳利用。