基于相似模擬試驗(yàn)的綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

鄭金平 馮彥軍

(1.山西三元煤業(yè)股份有限公司;2.天地科技股份有限公司;3.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院)

伴隨著綜放開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用，我國(guó)煤炭資源開(kāi)采的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益從根本上得到了改善［1］。同時(shí)，我國(guó)學(xué)者對(duì)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了大量的研究，取得了十分豐富的成果。綜放采場(chǎng)圍巖支撐體系為老頂—直接頂—頂煤—支架—底板，頂煤充當(dāng)部分直接頂，在頂板巖層和支架之間是一層強(qiáng)度較低的頂煤作為上位巖層活動(dòng)的“墊層”。王家臣［2］認(rèn)為綜放采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)程度不僅取決于上覆巖層的活動(dòng)，也與頂煤的強(qiáng)度、剛度、厚度及破碎狀況有關(guān)。毛德兵等［3］根據(jù)綜放開(kāi)采技術(shù)，提出了大采高綜放開(kāi)采的概念。翁明月等［4］根據(jù)微震事件變化間接反映工作面礦壓顯現(xiàn)，認(rèn)為微震事件峰值出現(xiàn)的時(shí)間一般略早于工作面周期來(lái)壓。劉志成［5］在分析大傾角煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)相似模擬試驗(yàn)，確定了靖遠(yuǎn)王家山礦大傾角煤層綜放液壓支架工作阻力。陸明心等［6］對(duì)綜放工作面礦壓顯現(xiàn)內(nèi)在機(jī)理及上覆巖體的平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，上覆巖層存在著以大變形梁形式的平衡結(jié)構(gòu)，平衡結(jié)構(gòu)與頂板、頂煤相互作用。

本研究在相似模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

1 相似材料模擬試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)背景

綜放工作面煤層平均厚度為8 m，割煤厚度為3 m，放頂煤厚度為5 m，煤層埋深為100 m，煤層及上覆巖層巖性、強(qiáng)度及厚度如表1。煤層圍巖綜合柱狀圖如圖1。

1.2 模型建立

根據(jù)相似模擬試驗(yàn)研究目的，采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行模擬。平面應(yīng)變模型試驗(yàn)臺(tái)規(guī)格為3 000 mm ×3 000 mm×200 mm(長(zhǎng)×高×寬)。模型上覆巖層重力采用皮囊充氣加載的柔性加載方式。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

圖1 煤層圍巖柱狀圖

在模擬回采過(guò)程中，監(jiān)測(cè)頂煤的位移分布及其變化，位移測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2;測(cè)試頂板支承應(yīng)力分布及變化，應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖2 位移測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 頂煤豎向位移隨工作面推進(jìn)的變化

圖4表示8號(hào)、27號(hào)、28號(hào)、42號(hào)測(cè)點(diǎn)頂煤下沉量隨工作面推進(jìn)距離的變化。工作面推進(jìn)距離小于18 m時(shí)，頂煤下沉量呈緩慢增加的趨勢(shì)，下沉量變化范圍1.5～9.5 cm;工作面推進(jìn)至18～21 m，頂煤下沉量急劇加大，下沉量范圍為25～150 cm;工作面推進(jìn)至21～41.4 m，頂煤下沉量呈緩慢增加趨勢(shì)，下沉量變化范圍20～40 cm;工作面推進(jìn)超過(guò)41.4 m后，頂煤下沉量急劇加大，此時(shí)最大下沉量可達(dá)300 cm。

圖3 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

2.2 支承壓力隨工作面推進(jìn)的變化

圖5表示1號(hào)，3號(hào)，7號(hào)，8號(hào)測(cè)點(diǎn)支承壓力隨工作面推進(jìn)的變化。工作面推進(jìn)至15.6～21.6 m時(shí)，支承壓力達(dá)到峰值點(diǎn)，即工作面前方縱向支承壓力峰值出現(xiàn)在15.6～21.6 m附近，平均約16 m，最大支承壓力為15～55 MPa，平均為35 MPa。

3 結(jié)果分析

隨著工作面的推進(jìn)，頂煤下沉量經(jīng)歷緩慢增加、趨于加劇、緩和、急劇加大等變化過(guò)程;隨著工作面推進(jìn)距離的加大，支承壓力的變化呈波浪形，在達(dá)到峰值后開(kāi)始衰減，基本頂周期來(lái)壓顯現(xiàn)趨于緩和。支架上方的頂煤在超前支承壓力的作用下，進(jìn)入了塑性狀態(tài)或已變得破碎，巖層支承壓力向煤壁前方遷移，這樣可緩沖基本頂來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載作用。因此，綜放開(kāi)采的1次采高雖大，但是工作面礦壓顯現(xiàn)并不強(qiáng)烈。

4 結(jié)論

(1)綜放工作面頂煤下沉量經(jīng)歷緩慢增加、趨于加劇、緩和、急劇加大等變化過(guò)程。

(2)隨著工作面推進(jìn)距離的加大，支承壓力的變化呈波浪形，在達(dá)到峰值后開(kāi)始衰減，基本頂周期來(lái)壓顯現(xiàn)趨于緩和。

圖4 頂煤下沉量隨工作面推進(jìn)的變化

(3)由于支架上方“墊層”的作用，巖層支承壓力向煤壁前方遷移，可緩沖基本頂來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載作用，工作面礦壓顯現(xiàn)較為緩和。

［1］ 吳 健.我國(guó)綜放開(kāi)采技術(shù)15年回顧［J］.中國(guó)煤炭，1999 (S1):9-16.

［2］ 王家臣.我國(guó)綜放開(kāi)采技術(shù)及其深層次發(fā)展問(wèn)題的探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005(1):14-17.

圖5 支承壓力隨工作面推進(jìn)的變化

［3］ 毛德兵，康立軍.大采高綜放開(kāi)采及其應(yīng)用可行性分析［J］.煤礦開(kāi)采，2003(1):11-14.

［4］ 翁明月，徐金海，李 沖.綜放工作面煤巖破壞及礦壓顯現(xiàn)與瓦斯涌出關(guān)系的實(shí)測(cè)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011(10):1709-1714.

［5］ 劉志成.大傾角煤層綜放開(kāi)采相似模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤礦開(kāi)采，2007(2):65-66.

［6］ 陸明心，郝海金，吳 健.綜放開(kāi)采上位巖層的平衡結(jié)構(gòu)及其對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2002(6):591-595.