创新点
(1)对采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型进行了修正，并利用山西赵庄矿1311工作面覆岩内部移动和地表沉陷实测数据对力学模型计算结果进行了验证，为开展采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素研究奠定了基础。 (2) 基于修正后的采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型，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，揭示了影响覆岩卸荷膨胀累积效应的主要因素及其影响规律。 (3) 结合采动覆岩卸荷膨胀累积效应影响因素的研究结果，分析了采高、采深和岩性对地表下沉系数的影响规律。
采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素
作者：许家林1,2，秦 伟1，陈晓军1,2，胡国忠2，谢建林1，王晓振2，朱卫兵2
单位：1.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室；2.中国矿业大学 矿业工程学院
背 景
上覆岩层运动对工作面矿压显现、覆岩含水层流体运移、邻近层瓦斯卸压解吸及地表下沉规律起主要控制作用。因此，对采动覆岩运动规律的研究是解决矿压事故、水和瓦斯灾害、地表塌陷等一系列安全和环境问题的重要基础。针对采动上覆岩层运动规律，国内外学者提出了相关的假说和理论，对实现岩层控制具有重要指导意义。随着采煤工作面的不断推进，在覆岩关键层结构控制下，上覆岩层由下而上成组破断运动，由于未破断关键层阻断了上部载荷向下的传递，导致其下部煤岩层产生卸荷膨胀。而以往研究却忽视了覆岩卸荷膨胀对岩层运动规律的影响。
基于此，笔者于2020年第1期在《煤炭学报》撰文“采动覆岩卸荷膨胀累积效应”，提出了采动覆岩卸荷膨胀累积效应的概念并建立了力学模型。文章认为，随着关键层的破断运动由下往上发展，覆岩卸荷高度不断增大，产生卸荷膨胀的岩层总厚度不断增加；同时受上部破断岩层的压实作用，下部卸荷煤岩承受的载荷不断累积，从而造成覆岩卸荷膨胀累积总量的不断变化。文章将这种覆岩卸荷膨胀累积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对上覆岩层运动规律具有显著影响。例如，卸荷膨胀累积效应对关键层下离层具有显著的抑制作用，导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%，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；卸荷膨胀累积效应显著减小破断岩块的回转角，影响上覆岩层的贯通破断高度，进而影响导水裂隙的发育高度；充分采动条件下，覆岩残余膨胀量与地表下沉系数呈反比关系，因此卸荷膨胀累积效应也对地表下沉系数产生影响，如分层重复开采时，由于首次采动后覆岩残余膨胀量的存在，导致重复采动后地表下沉系数较首次采动时增大。
采动覆岩卸荷膨胀累积效应是煤层开采时覆岩移动由下往上发展过程中的自然现象，主要受覆岩关键层破断高度与覆岩卸荷高度的动态影响。一般情况下，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再逐步减小的过程，当覆岩主关键层破断后（即卸荷高度达到地表），覆岩卸荷膨胀总量达到最小值。在特定的覆岩关键层结构条件下，采动覆岩卸荷膨胀效应主要受采高、采深、岩性等因素影响。笔者将基于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，就采高、采深和岩性对采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响开展理论研究。
摘 要
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2.5m增大至10.5m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496.6m增加至896.5m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。
图 片
采动覆岩卸荷膨胀累积效应一般力学模型
覆岩关键层判别结果
覆岩卸荷膨胀量随卸荷高度的变化规律
Y3孔点位布置
全柱状覆岩运动远程智能监测系统
Y3孔岩层移动观测曲线
不同采高条件下垮落带膨胀量随卸荷高度的变化曲线
不同采高条件下弯曲下沉带膨胀量随卸荷
不同采高条件下卸荷膨胀累积总量随卸荷高度的变化曲线
不同采深条件下弯曲下沉带膨胀量随卸荷高度的变化曲线
不同采深条件下卸荷膨胀累积总量随卸荷高度的变化曲线
不同岩性条件下垮落带和裂隙带膨胀量随卸荷高度的变化曲线
不同岩性条件下弯曲下沉带膨胀量随卸荷高度的变化曲线
不同岩性条件下卸荷膨胀累积总量随卸荷高度的变化曲线
下沉系数与残余膨胀量随采高的变化曲线
下沉系数与残余膨胀量随采深的变化曲线
地表下沉系数与残余膨胀量随岩性强度的变化曲线
作者简介
许家林，男，1966年10月18日生，江苏句容人，教授，博士生导师。《煤炭学报》等期刊编委、第五届国家安全生产专家组成员。获国家科技进步奖1项、省部级科技进步奖10余项。出版《煤矿绿色开采》等著作5部，发表论文200余篇。曾获煤炭行业专业技术拔尖人才、中国煤炭青年科技奖、江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、教育部“新世纪优秀人才支持计划”。
研究方向
岩层移动与绿色开采
主要成果
致力于岩层移动与绿色开采方向的理论与技术研究，形成了基于关键层理论和全柱状思想的学术思路与岩层控制理论框架，创新了岩层移动与绿色开采的理论体系。从煤层开采过程中岩层采动裂隙的形成位置、发育形态、动态变化及其影响因素等方面探索了岩层采动裂隙的动态演化规律，建立了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计新方法和基于采动覆岩卸荷膨胀累积效应的离层量估算方法。同时，紧密围绕传统理论难以合理解释的煤矿工程中的“异常”现象，基于上述顶板导水裂隙演化和顶板结构运动等方面的理论创新成果，指导解决了浅埋煤层群安全高效开采、覆岩隔离注浆充填减灾与不迁村采煤、煤与瓦斯共采、保水开采等绿色开采技术中的疑难杂症，取得了巨大的经济和社会效益。
许家林，秦伟，陈晓军，等． 采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素[J]． 煤炭学报，2022，47（1）：115-127．
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