綜放開采煤巖層運動規(guī)律相似模擬研究

孫建文

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司， 山西 陽泉市 045100)

相似材料模擬是以相似準則為理論依據，利用人工材料配比，按一定比例縮小做成與實際原型巖石力學性質成分相類似的模型。然后在模型中模擬回采工作面實際情況，根據觀察模型的變化情況對回采工作面變形、位移、破壞和巖層移動等情況加以推測和研究，這種方法稱為相似材料模擬方法[1]。相似模擬實驗具有操作比較簡單、周期較短、可控制性高、實驗可重復進行等特點被廣泛應用。吳四圪堵煤礦6#煤頂板及上覆巖層難以現場實際觀測。因此，通過相似模擬實驗來預測吳四圪堵煤礦6#煤層隨工作面推進，其頂煤及上覆巖層的變形、移動、垮落的情況，進而得出上覆巖層的運動規(guī)律，其結果對提高工作面的安全生產和采出率具有重要指導作用。

1 模型的建立

模擬吳四圪堵煤礦6#煤層情況：6#煤層位于太原組下部(C2 t)，煤炭開采面積約為31．14 km2，煤層總厚為0.51～18.15 m，平均7.01 m，可采厚度為1.35～18.50 m，平均6.08 m。在井田東南部有斷距較大的斷層，使煤層沿斷層斷開，下盤煤層受其影響未揭露[2]。吳四圪堵煤礦綜合柱狀圖見圖1。

根據實際地質情況，選擇立式平面模型架較為合理，其尺寸大小為5000 mm×300 mm×2000 mm(長×寬×高)。模型采用自重加載和杠桿加載方式。按照模型尺寸及其他條件綜合計算分析，并以相似理論為基準確定相似系數：模型的幾何相似比(αL)為100，視密度相似比(αr)為1.6，時間相似比(αt)為10，應力相似比(ασ)為160。

圖1 吳四圪堵煤礦綜合柱狀圖

2 材料配比

按6#煤層原巖應力參數和相似理論為依據，計算得出模型各層材料不同的配比方案，經過多次方案對比，得到模型各層材料最佳配比方案。

本次實驗骨料采用石英砂，膠結物采用石灰、石膏和水泥，按照材料比配表所確定各層材料用量，為使實驗更接近實際情況，在所配材料中加1%的硼砂作為緩凝劑，然后將材料攪拌均勻，再添加1/9的水，分層倒入模型架中，按實驗所需的視密度要求鋪平，壓實[3]。采用水壓致裂法[4]對各巖層的巖石力學參數進行測定，見表1。

3 測點布置

裝填模型過程中，將測定模型內部壓力的BW-5型壓力盒按設計要求安設好，并與YJ-5型靜態(tài)電阻應變儀連接監(jiān)測數據。然后在煤層底板上布置模型壓力測點，見圖2。模型裝填完畢后把模板拆下，吳四圪堵煤礦6#煤層綜采工作面模型制作完畢，見圖3。模型制作好后，打開晾干10 d進行實驗，首先將壓力測點與YJ-5型靜態(tài)電阻應變儀連接，然后調節(jié)儀器，記錄初始讀數[5]。隨著工作面的推進，對所布置測定的壓力變化量和模型各階段不同的移動情況進行拍照和記錄。

4 實驗分析

4.1 隨工作面推進頂煤的垮落規(guī)律

根據所做模型幾何相似比100，工作面開切眼實際開挖位置在模型中為距模型邊緣50 cm處，實際為50 m。按照實際工作面1 d的推進度，每隔2.4 h(實際為24 h)割煤一次，其高度為3 m，深度為4.8 m。

表1 6#煤層頂底板巖層物理力學參數

圖2模型壓力測點布置

圖3 吳四圪堵煤礦綜放工作面相似材料模型全貌

頂煤出現初次垮落在距開切眼12 m處，其垮落高度為4.5 m，垮落步距為13 m。此后當工作面每推進長度為4.5 m左右時，煤頂隨工作面開采的過程同時冒頂，冒高為3 m。

工作面推進20 m時，老頂初次來壓，煤層上方直接頂垮落，在此之前工作面后方頂煤出現大面積垮落，垮落高度7～9 m。老頂初次來壓以后，隨著工作面推進，工作面后方頂煤隨采隨冒，冒高為5 m，在模型老頂周期來壓前(周期來壓步距為7～14 m)，9 m厚煤層出現完全垮落，煤層垮落角度開切眼側47°，工作面煤壁側40°。

4.2 煤層頂板上覆巖層的垮落規(guī)律

巖頂初次垮落在距開切眼25 m處，其垮落高度(煤層上方巖層)為8 m，其垮落跨度為15 m；當工作面推進40 m時，工作面老頂2次垮落，高度(煤層上方巖層)5 m，其垮落跨度10 m。

隨后工作面每推進7～14 m，老頂出現周期來壓，隨著工作面的推進，上覆巖層垮落高度逐漸增大，當工作面推進到132 m時，即老頂第8次來壓時，巖層垮落高度為54 m，上方垮落跨度為75 m，垮落巖層最大空隙為8 m，緊接著上方老頂出現連續(xù)垮落現象，垮落高度為15 m, 巖層垮落角開切眼側為58°，工作面?zhèn)葹?5°，見圖4。

4.3 工作面采出率及其分析

當采場工作面從開切眼到開采12 m時，工作面采出率為20%；隨著開采的繼續(xù)，工作面上方頂煤隨采隨冒，當頂煤冒落高度4.5 m左右時，工作面采出率為60%；當老頂初次來壓和周期來壓前，煤頂冒落高度平均8 m，工作面采出率為84%。

4.4 工作面前方支承應力測定結果及分析

在工作面推進132 m過程中，通過1～4號測點對工作面前方支承應力進行了觀測，最大支承應力集中系數范圍在1.55～1.88之間，支承應力峰值點距離工作面煤壁16～20.8 m的位置。工作面前方應力增高范圍為24～33.6 m，見圖5。

圖4 工作面推進到158.4 cm時，老頂8次來壓

圖5 工作面前方支承應力測定曲線

5 結 論

(1) 根據吳四圪堵煤礦6#煤層巖石力學參數測定，其開采工作面直接頂屬于I類不穩(wěn)定頂板，老頂屬于II級來壓顯現明顯類型。根據實驗結果表明，工作面上覆巖層隨采動影響，呈現明顯而且穩(wěn)定的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。

(2) 頂煤在出現初次垮落時，垮落高度較小，步距較小，上覆巖層移動量小；隨著工作面推進距開切眼16.5 m時，工作面后方煤頂隨采隨冒，上覆巖層出現離層現象，移動量逐漸增大，煤層頂板初次垮落；當老頂初次來壓以后，煤層頂板極不穩(wěn)定且比較破碎，垮落步距增大，上覆巖層自下而上出現斷裂具有明顯的分層現象；當老頂來壓8次時，深層老頂自下而上連續(xù)垮落并波及地表。

(3) 在工作面推進過程中， 當工作面從開切眼到推進12 m前為工作面初采階段，本階段距離較短，工作面采出率較低，其余開采階段比較正常，平均采出率近似70%。根據研究分析，煤層開采前采用預注水軟化頂板或是爆破預裂頂板，以減小頂煤和頂板初次來壓步距等措施來提高回采率。

(4) 工作面前方支承壓力降低區(qū)離煤壁的距離為5 m，從此到煤壁深處應力呈增長趨勢，直至達到峰值，其峰值位置深入煤體約16 m，工作面前方應力增高范圍為24～33.6 m。

參考文獻：

[1]M.B.基樂皮契夫.相似理論[M].北京:科學出版社,1995:13-16.

[2]張建全,閆保金,廖國華.采動覆巖移動規(guī)律的相似模擬實驗研究[J].金屬礦山,2002(8):10-12.

[3]孫前芳.綜合機械化放頂煤開采技術在吳四圪堵煤礦的可行性研究[D].撫順：遼寧工程技術大學,2007:7-8.

[4]蔡美峰.地應力測量原理與技術[M].北京:科學出版社,2000:38-47.

[5]崔廣心.相似理論與模型試驗[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1990:34-48..