大采高綜采面覆巖結構頂板垮落規律研究

蔣與飛 曹品偉

（河南神火煤電股份有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000）

受三軟煤層的影響，泉店煤礦厚煤層開采過程中的頂板問題一直是制約回采效率的重要因素。二1 煤層賦存于山西組下部，本工作面煤層走向119°，傾角平均約為26°，上距砂鍋窯砂巖（Ss）56.77～60.03 m，平均距離58.40 m，上距二3 煤層3～7.9 m，下距太原組上段灰巖約20～25.8 m。工作面采高約7～8 m，一次性采全高。

本文通過使用相似材料模擬試驗，對泉店煤礦二1 煤層進行模擬研究，確定二1 煤層回采巷道的支護形式，找出傾斜工作面回采后的頂板變化情況以及結構破壞規律，為控制減小頂板采動影響和上下順槽壓力控制提供重要的理論依據[1]。

1 相似模擬試驗基本原理

相似材料模擬試驗是科學實驗的一種形式，是用來模擬和研究低壓變化規律的重要手段之一。按照礦山實際模型，通過一定的比例將實際數據進行縮小，做成模型，然后在模型中進行模擬井下巷道掘進或采面回采作業等，以此觀察模型發生的一些物理形變等情況，進而推測原型中將會發生的情況，通過近似推理，來解決實驗原型面臨的實際問題，提出行之有效的解決方案。

2 相似模擬試驗流程

2.1 相似比和材料配比

根據相似規律，在本次模擬過程中，通過對泉店煤礦大采高工作面進行實際采集數據，了解煤層結構及內部斷層情況，確定了本次試驗的相似比值，具體數據如下：

幾何近似比值=1:40；

容重近似比值=1:1.5；

時間近似比值=1:10；

應力及強度近似比值=1:60。

根據工作面實際情況及模擬條件，本次試驗建立模型上覆60 m 巖層，材料以沙料為支柱主體，高度設置為1.6 m，煤層厚度近似設置4 m，傾斜走向設置工作面底板，材料使用沙為骨干材料，碳酸鈣為聯結材料，在不同的模擬層中鋪設云母模擬巖層，以達到最真實的試驗效果[2]。

試驗過程每隔固定時間進行拍照記錄一次，并將測量數據填寫至記錄表中，以得到采動過程中頂板動態變化近似數據。材料的相似配比見表1。

表1 材料相似配比表

2.2 模擬試驗相似觀察方案

為了能夠得出大采高煤層的頂板破壞規律，真實研究傾斜方向上頂板斷裂情況，分析頂板破斷失穩以及控制技術措施，具體觀測方案如下。

設置位移觀測計量點位，本次計量點共設置三排。第一排布置在細砂巖頂部，與煤層間距離為83 mm；第二排布置在細砂巖之中，與第一排間距150 mm；第三排與第二排間距250 mm，且與第一排間距250 mm。同時觀測三排計量點位的位移變化。具體布置情況如圖1。

圖1 測點布置示意圖

3 頂板破斷規律

首先設置工作面傾斜長度為20 m 距離，從圖2可以看出，受頂板懸空面積影響，此時的頂板已經開始出現垮落破斷的現象，但是破碎程度較小，且塊與塊之間出現交聯結構，煤壁破斷后出現砌體結構，頂板整體出現垮落情況。因此，工作面在傾向方面已承受壓力影響，傾向來壓往往與走向壓一起同時對頂板產生較大影響。

事實上不論形式的工與寫，謹嚴或率真，中國畫所陳述的情境的創作和欣賞都是指向主觀的感悟和體驗的。對客觀對象的描摹并以此來驗證技法的高低乃至藝術價值的高低偏離了我們長期以來堅持和實踐的中國畫創作方式和審美觀，因此，對于工筆畫來說，應該從繪畫的圖式上回歸以形寫神的形態語言，從審美體驗中回歸精神境界和格雅逸品，從繪畫的過程中回歸平靜與從容的心理情態，從而回歸內心，回歸靈性與生命的呈現。

圖2 工作面斜長20 m 狀態

此時，石塊1 與石塊2 之間已經呈現連接情況，且巖塊2 與煤壁間也構成了連接情況。由此可見，堅硬巖層時間的連接結構，可以共同產生承載作用，但是直接頂層厚較薄，破斷之后無法完整填充采空區，因此，在垮落石塊和未垮落巖層之間，又形成了新的空檔，在下一步的開采過程中，繼續破碎形成二次垮落，垮落高度進一步增加[3]。

圖3 工作面斜長40 m 狀態

隨著工作面回采長度的不斷拉長，頂板垮落情況逐漸加大，破碎情況更嚴重，垮落的巖層整體呈現下移。因此在工作面開采過程中需要防止頂板的破斷下沉對支架的影響，支架往往和頂板之間形成穩定的擠壓關系，隨著頂板的破斷下滑會導致支架隨著頂板一同下滑，因此支架的防倒防滑此時較為重要，從而保證支架的穩定[4]。

隨著巖塊的整體下沉，在圖3 可以看出，上覆巖塊在滑移過程中卡在了上覆巖塊下側，暫時對石塊起到了承托作用，提高穩定性，并且該處沒有明顯的垮落情況，短期內處于穩態，由于傾斜角度的存在，提高了部分區域的穩態保持程度，有利于頂板的控制。

圖4 工作面斜長56 m 狀態

受上層巖層和垮落間隙的影響，頂板一次破碎后不久出現二次破碎現象，并且伴隨著強烈的頂板下沉。此時，受自重作用壓力，關鍵層位下沉，直接造成上覆巖層破裂下降，從圖4 能夠明顯看出破碎情況，且二次形成離層間隙帶，但由于支撐作用，上覆巖層離斷間隙并不嚴重，礦壓顯現效果明顯。

4 頂板破落動態變化情況分析

通過對本次試驗的測點進行動態觀測，貫徹工作面回采過程中頂板出現的相似變化，測點設置在距離煤層4 m、8 m、14 m、17 m、24 m、30 m 位置處，通過測點的觀測數據，得到圖5。

圖5 工作面頂板水平位移量

圖6 工作面頂板垂直位移量

通過對工作面頂板垂直位移監測可以看出，頂板變化的水平方向位移量和垂直方向位移量有相似之處，主要變化情況均為上部移動變量數值較大，并且，隨著回風巷道的逐漸加長，這些位移量也在急劇增加。在距離采煤面15 m 時達到峰值，距離煤層4 m 處達到4.3 m，距離煤層8 m 處達到3.8 m，位移量相對較大，并且伴隨煤層變化，位移量顯著降低，在采煤面的中部達到峰值，但均低于2 m數值。

5 結論

從上述試驗結果可以看出，大采高工作面由于采高大，垮落距離長，在頂板進行一次破碎之后，由于空隙原因，在工作面繼續推進的過程中，會造成頂板二次垮落，但是在普通采高下不會出現類似現象。泉店煤礦二1 煤層回采過程中，由于頂板中巖層較厚，細砂巖破碎后能夠形成較為穩定的聯結結構，形成砌體梁，但由于下沉量增加，砌體梁的結構穩定性并不穩定，導致破斷情況繼續向上層蔓延，工作面礦壓顯現更為劇烈。因此，二1 煤層回采時工作面推進需加快進度，在二次破斷之前將綜放工作面推至較遠位置，確保綜放工作面安全生產。