深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理 - 孟祥军; 张广超; 李友; 陈连军; 王超; 赵仁宝; 陶广哲; 王冬; 周广磊; 陈淼; 栾恒杰 (煤炭学报, 2023)
TD82%TD325; 覆岩运动演化是井下动力灾害孕育发生的根本原因,掌握具体地层条件下覆岩运动规律及其演化致灾机理对实现动力灾害防控具有重要意义.以3301工作面为工程背景,综合运用相似模拟、理论分析与现场实测相结合的方法,研究了表土层-基岩不同厚度组合变化下基岩、表土层及地表下沉盆地的整体破坏形态与联合运移演化规律,揭示了 2类典型表土层-基岩组合条件下的覆岩结构运移演化规律及采动应力传递形成机制,推导获得了巨厚表土薄基岩条件下的支承压力定量表达式,并提出了高应力突变致灾宏观判别准则,现场工程实践验证了模型合理性.得到主要结论:①煤层开采后软弱基岩呈现非对称"类梯形"破坏形态,巨厚松散表土层呈现"倾斜漏斗形"破坏形态,表土层运移演化具有响应速度快、运移范围广、下沉系数大的特点;②表土层-基岩双层介质在不同厚度组合条件下的运移演化规律具有较大差异,厚表土层薄基岩(Ⅰ型)条件下,基岩自下而上发生塑性破裂,破断岩体块度小,难以形成稳定结构;厚表土层厚基岩(Ⅱ型)条件下,基岩由塑性破裂逐渐转化为块式破断,破断步距逐步增大,关键层效应逐渐突显,破断后形成结构的承载能力提高,能阻止上覆表土层的运移和沉降,地表下沉量出现一定程度的减小;③深厚表土薄基岩条件下,工作面前方大范围表土层向采空区发生运移,载荷集中作用在工作面上方基岩和超前煤体内,同时由于基岩软弱、破断岩块尺寸较小、无法形成规模悬顶的特点,限制了载荷向煤壁前方更远处传递,致使呈现应力峰值大、影响范围小、波动性大特点;④建立了考虑深厚表土大范围运移、基岩塑性破裂特征的支承压力估算模型,获得了支承压力计算方法,并以3301工作面具体参数为例,估算出其支承压力影响范围为72m,峰值为44.2MPa,应力峰值距煤壁23 m,具有一定冲击风险;现场地表沉降特征与采动应力监测结果验证了理论分析与相似模拟结果的科学性.