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創新點
(1)對採動覆巖卸荷膨脹累積效應力學模型進行了修正，並利用山西趙莊礦1311工作面覆巖內部移動和地表沉陷實測資料對力學模型計算結果進行了驗證，為開展采動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響因素研究奠定了基礎。
(2) 基於修正後的採動覆巖卸荷膨脹累積效應力學模型，針對採高、採深和巖性對採動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響開展了理論研究，揭示了影響覆巖卸荷膨脹累積效應的主要因素及其影響規律。
(3) 結合採動覆巖卸荷膨脹累積效應影響因素的研究結果，分析了採高、採深和巖性對地表下沉係數的影響規律。
採動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響因素
作者：許家林1,2，秦 偉1，陳曉軍1,2，胡國忠2，謝建林1，王曉振2，朱衛兵2
單位：1.中國礦業大學 煤炭資源與安全開採國家重點實驗室；2.中國礦業大學 礦業工程學院
背 景
上覆岩層運動對工作面礦壓顯現、覆巖含水層流體運移、鄰近層瓦斯卸壓解吸及地表下沉規律起主要控制作用。因此，對採動覆巖運動規律的研究是解決礦壓事故、水和瓦斯災害、地表塌陷等一系列安全和環境問題的重要基礎。針對採動上覆岩層運動規律，國內外學者提出了相關的假說和理論，對實現岩層控制具有重要指導意義。隨著採煤工作面的不斷推進，在覆巖關鍵層結構控制下，上覆岩層由下而上成組破斷運動，由於未破斷關鍵層阻斷了上部載荷向下的傳遞，導致其下部煤岩層產生卸荷膨脹。而以往研究卻忽視了覆巖卸荷膨脹對岩層運動規律的影響。
基於此，筆者於2020年第1期在《煤炭學報》撰文“採動覆巖卸荷膨脹累積效應”，提出了採動覆巖卸荷膨脹累積效應的概念並建立了力學模型。文章認為，隨著關鍵層的破斷運動由下往上發展，覆巖卸荷高度不斷增大，產生卸荷膨脹的岩層總厚度不斷增加；同時受上部破斷岩層的壓實作用，下部卸荷煤巖承受的載荷不斷累積，從而造成覆巖卸荷膨脹累積總量的不斷變化。文章將這種覆巖卸荷膨脹累積總量隨卸荷高度及承受載荷不斷累積而發生動態變化的現象稱為採動覆巖卸荷膨脹累積效應。
採動覆巖卸荷膨脹累積效應對上覆岩層運動規律具有顯著影響。例如，卸荷膨脹累積效應對關鍵層下離層具有顯著的抑制作用，導致關鍵層下最大離層量一般小於採高的10%，該發現指導了覆巖隔離注漿充填綠色開採技術的創新研發及其在建築物壓煤開採中的成功實踐；卸荷膨脹累積效應顯著減小破斷巖塊的迴轉角，影響上覆岩層的貫通破斷高度，進而影響導水裂隙的發育高度；充分採動條件下，覆巖殘餘膨脹量與地表下沉係數呈反比關係，因此卸荷膨脹累積效應也對地表下沉係數產生影響，如分層重複開採時，由於首次採動後覆巖殘餘膨脹量的存在，導致重複採動後地表下沉係數較首次採動時增大。
採動覆巖卸荷膨脹累積效應是煤層開採時覆巖移動由下往上發展過程中的自然現象，主要受覆巖關鍵層破斷高度與覆巖卸荷高度的動態影響。一般情況下，採動覆巖卸荷膨脹總量隨覆巖卸荷高度的逐步增大呈現先增大再逐步減小的過程，當覆巖主關鍵層破斷後（即卸荷高度達到地表），覆巖卸荷膨脹總量達到最小值。在特定的覆巖關鍵層結構條件下，採動覆巖卸荷膨脹效應主要受採高、採深、巖性等因素影響。筆者將基於採動覆巖卸荷膨脹累積效應力學模型，以山西趙莊煤礦1311工作面內部岩層移動實測結果為基礎，就採高、採深和巖性對採動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響開展理論研究。
摘 要
採動覆巖經歷了卸荷膨脹與再壓實的動態過程，將覆巖卸荷膨脹總量隨卸荷高度及承受載荷不斷累積而發生動態變化的現象稱為採動覆巖卸荷膨脹累積效應。採動覆巖卸荷膨脹累積效應是岩層移動過程中的自然現象，對岩層移動規律具有重要影響。基於修正後的採動覆巖卸荷膨脹累積效應力學模型，以山西趙莊煤礦1311工作面內部岩層移動實測結果為基礎，針對採高、採深和巖性對採動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響開展了理論研究。
結果表明：採動覆巖卸荷膨脹總量主要由垮落帶和裂隙帶的塑性膨脹與主關鍵層下部彎曲下沉帶的彈性膨脹所組成，其中垮落帶的塑性膨脹佔比最大，彎曲下沉帶的彈性膨脹佔比最小。採動覆巖卸荷膨脹總量隨覆巖卸荷高度的逐步增大呈現先增大到峰值後再逐步減小的過程，當覆巖主關鍵層破斷後，彎曲下沉帶的彈性膨脹量降為0，此時覆巖卸荷膨脹總量達到最小值，為覆巖殘餘膨脹量。
採高對覆巖卸荷膨脹累積效應的影響主要體現在不同採高條件下垮落帶與裂隙帶高度不同。覆巖卸荷膨脹總量隨採高的增大而增加，當採高由2.5m增大至10.5m時，卸荷膨脹總量峰值和殘餘碎脹量均增大3倍以上。與採高相比，採深變化一般不會改變垮落帶與裂隙帶高度，採深對覆巖卸荷膨脹總量峰值影響較小。
採深對覆巖卸荷膨脹累積效應的影響主要體現在不同採深條件下覆巖殘餘膨脹量的不同，覆巖殘餘膨脹量隨採深增大而減小，當採深由496.6m增加至896.5m時，覆巖殘餘膨脹量減少了32.5%。
巖性對覆巖卸荷膨脹累積效應的影響主要體現在不同巖性碎脹煤巖被壓實的難易程度不同，覆巖卸荷膨脹總量隨巖性的變硬而增加。當初始切線模量和彈性模量由降低50%到增大50%時，覆巖卸荷膨脹總量峰值增加4.3%，但覆巖殘餘膨脹量增加110%。覆巖殘餘膨脹量決定了地表下沉係數大小，因此，覆巖卸荷膨脹累積效應可影響地表下沉係數變化規律。
採高對地表下沉係數的影響並非單調線性的，下沉係數隨採高增大是微量減小還是微量增大取決於關鍵層位置對裂隙帶高度的影響情況。在充分採動條件下，由於塑性膨脹區殘餘膨脹量隨採深增大而減小，下沉係數隨採深增大而增大。當巖性由軟變硬時，塑性膨脹區越不易被壓縮，地表下沉係數相應減小。
圖 片
採動覆巖卸荷膨脹累積效應一般力學模型
覆巖關鍵層判別結果
覆巖卸荷膨脹量隨卸荷高度的變化規律
Y3孔點位佈置
全柱狀覆巖運動遠端智慧監測系統
Y3孔岩層移動觀測曲線
不同採高條件下垮落帶膨脹量隨卸荷高度的變化曲線
不同採高條件下彎曲下沉帶膨脹量隨卸荷
不同採高條件下卸荷膨脹累積總量隨卸荷高度的變化曲線
不同採深條件下彎曲下沉帶膨脹量隨卸荷高度的變化曲線
不同採深條件下卸荷膨脹累積總量隨卸荷高度的變化曲線
不同巖性條件下垮落帶和裂隙帶膨脹量隨卸荷高度的變化曲線
不同巖性條件下彎曲下沉帶膨脹量隨卸荷高度的變化曲線
不同巖性條件下卸荷膨脹累積總量隨卸荷高度的變化曲線
下沉係數與殘餘膨脹量隨採高的變化曲線
下沉係數與殘餘膨脹量隨採深的變化曲線
地表下沉係數與殘餘膨脹量隨巖性強度的變化曲線
作者簡介
許家林，男，1966年10月18日生，江蘇句容人，教授，博士生導師。《煤炭學報》等期刊編委、第五屆國家安全生產專家組成員。獲國家科技進步獎1項、省部級科技進步獎10餘項。出版《煤礦綠色開採》等著作5部，發表論文200餘篇。曾獲煤炭行業專業技術拔尖人才、中國煤炭青年科技獎、江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人、教育部“新世紀優秀人才支援計劃”。
研究方向
岩層移動與綠色開採
主要成果
致力於岩層移動與綠色開採方向的理論與技術研究，形成了基於關鍵層理論和全柱狀思想的學術思路與岩層控制理論框架，創新了岩層移動與綠色開採的理論體系。從煤層開採過程中岩層採動裂隙的形成位置、發育形態、動態變化及其影響因素等方面探索了岩層採動裂隙的動態演化規律，建立了基於關鍵層位置的導水裂隙帶高度預計新方法和基於採動覆巖卸荷膨脹累積效應的離層量估算方法。同時，緊密圍繞傳統理論難以合理解釋的煤礦工程中的“異常”現象，基於上述頂板導水裂隙演化和頂板結構運動等方面的理論創新成果，指導解決了淺埋煤層群安全高效開採、覆巖隔離注漿充填減災與不遷村採煤、煤與瓦斯共採、保水開採等綠色開採技術中的疑難雜症，取得了巨大的經濟和社會效益。
來源：
許家林，秦偉，陳曉軍，等． 採動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響因素[J]． 煤炭學報，2022，47（1）：115-127．
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