覆沙層下大采高工作面覆巖運移規律*

周光華，伍永平，來紅祥，崔 峰

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054;2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安710054)

0 引 言

大采高一次采全高的方法是提高煤炭資源回收、實現高產高效的重要手段［1］。工作面采高逐漸增加、生產裝備功率逐漸加大和穩定性增強的趨勢已成為中國乃至世界各國煤礦實現高產高效的重要發展方向［2］。經過多年的發展，采高加大之后工作面圍巖結構及運移規律已經有科研工作者開展了理論模型構建、數值分析、相似模擬及現場觀測研究。

黃慶享［3］通過對神東礦區大采高工作面頂板結構及巖層控制的系統研究，提出了淺埋、大采高工作面頂板周期來壓的結構與模型。柴敬等［4］通過對烏蘭木倫煤礦5.0 m 采高61203 面的礦壓觀測，為該工作面支架選擇了合理的工作阻力。王學軍等［5］分析了5.1 m 大采高工作面初次來壓、周期來壓步距及對應礦壓顯現特點，為大采高工作面液壓支架及其配套設備的設計提供了依據。付玉平等［6］以大采高采場基本頂初次斷裂對稱的關鍵塊為研究對象，建立了采場頂板初次斷裂關鍵塊水平力分析模型。郝海金等［7］對寺河礦設計采高5.2 m 的10201S 工作面進行礦壓觀測表明直接頂巖層受損傷后，由于其殘余強度較煤層大得多，傳壓性能較好，使大采高綜采工作面的礦壓顯現更加顯著。弓培林等［8-9］對寺河礦2301 工作面4.5 m 采高和2302 工作面5.6 m 采高、康家灘礦88101 工作面設計采高4 m 分別進行了研究，形成了指導現階段大采高開采較為系統的理論與方法。蔡美峰等［10］對大柳塔煤礦開采過程中出現的大范圍垮落動力失穩現象進行了系統研究，定性分析了在重力和沖擊載荷作用下的采空區動力失穩規律與機理。來興平等［11-12］對復雜傾斜特厚易燃煤層大采高開采工藝進行了研究，取得了6.2 m采高的成功開采。鞠金峰等［13］對大采高采場垮落帶的關鍵層“懸臂梁”結構運動型式及對礦壓的影響進行了研究，提出了大采高覆巖關鍵層“懸臂梁”結構的3 種運動型式。

上述學者的研究指導了過往及現階段中國大采高工作面支架選型、圍巖控制、煤壁片幫等問題的解決。寧東能源基地寧東煤田規劃的靈武礦區及鴛鴦湖礦區主采2 號煤層，厚度7.5 ～9.6 m，傾角8° ～30°，全區可采、賦存穩定［14］，并已在羊場灣煤礦完成了6.2 m 采高的實踐［15-19］。鴛鴦湖礦區還規劃了清水營、梅花井、石槽村、紅柳、麥垛山5個大型井田，設計開采儲量50.01 億t，規劃建設規模4 400 萬t/a. 針對寧東煤田所賦存的特厚的煤層，一次性采全高的采煤方法仍是最佳的選擇。文中以寧東煤田賦存的覆沙層下特厚煤層為背景，開展6.0 m 大采高工作面覆巖運移模擬研究，掌握大采高條件下工作面覆巖的運移及垮落特征，對6.0 m 采高及以上采高的開采實踐提供指導。

1 大采高工作面模型構建

實驗以寧東煤田2 號煤層的地質資料為原型，采用相似材料模擬實驗方法進行模擬實驗。實驗架采用外形尺寸(長×寬×高)為=5.0 m ×0.2 m×1.5 m 的平面應變模型架，確定模擬實驗的幾何相似比例(模型:原型)為1∶100，模型鋪裝尺寸(長×寬×高)為=5.0 m ×0.2 m ×1.2 m. 從模型左端30 cm 處做切眼，然后一次向右推進，每次開采10 cm，直至推進至距模型右端30 cm 處，共模擬開采440 cm.模擬材料選擇為煤粉、河砂、石膏、大白粉及水，類巖材料的密度視為1.6 g/cm3，鋪裝實驗架1 厘米的所耗費類巖材料質量為16 kg.同時，設計模擬支架，根據公式Cσ=ClCγ計算各類巖性的容重及應力相似系數。

圖1 相似模擬實驗現場全景Fig.1 Experiment panorama of similarity simulation experiment

圖1 為搭建好的相似模型，布置有全站儀、聲發射監測儀、百分表、壓力盒等監測儀器。模型中設置了多排監測點，見圖中黑白相間的點，在開采一定距離后通過全站儀對每個點進行觀測，記錄此時監測點的位移情況，從而分析巖層運移的規律;百分表用來測定地表下沉量。為達到與現場地質情況的充分相似，地表用干沙子鋪裝，沙子可以發生流動，可以模型現場的流沙現象。圖中黑色的為煤層，位于模型最下部，在煤層下面鋪裝有壓力盒，用來分析礦壓顯現規律。

2 大采高模型模擬結果分析

2.1 地表下沉特征

煤炭采出后原有環境中的應力重新分布，煤層上覆巖層發生運移，覆巖產生垮落、彎曲、下沉等現象，由下向上并逐漸波及地表，在地表形成下沉盆地。

在距模型左邊框30 cm 處開切眼，依次向右推進，每次開挖10 cm，待模型穩定0 ～20 min 后記錄百分表數據。工作面開采后在地表將在走向方向上形成半無限下沉盆地，隨著開采距離的增加，盆地的盆底部分寬度也不斷加大。

圖2 模型地表下沉歷程Fig.2 Process of surface subsidence in model

圖2 是地表下沉盆地的形成歷程，反映了不同開采距離時地表的下沉盆地形成過程。在開采250 cm 之前，主要下沉發生在150 cm 前后50 cm的范圍內;隨著開采距離的不斷增加，下沉盆地的盆底不斷加寬，地表下沉最大值發生在距工作面切眼150 cm 處，為48.69 mm;250 cm 處下沉最大值為42.99 mm，可以確定150 ～250 cm 范圍內的區域為下沉盆地的盆底部分。由于模型長度為500 cm，兩端留設30 cm 邊界的煤柱不采，所以兩邊界50 cm 下沉沒有進行觀測，實際監測表明主要下沉發生在模型50 ～400 cm 之間。這表明當流沙層下沉時，主要下沉量發生在裂縫周圍即下沉盆地中，準確估算延伸至地表的裂縫位置為確定地表下沉量、保護地表構筑物及地下水潰漏具有指導性意義。

隨著工作面繼續推進，老頂呈現出周期性破斷的特征。開采范圍足夠大時破斷巖層的結構形態將傳至地表，在地面上形成一個比采空區大得多的沉陷盆地。綜合以上分析得出以下結論

1)隨著工作面的不斷推進，覆巖的彎曲、破斷、垮落由下而上逐漸擴展，由此而引起的地表覆沙層的下沉是工作面覆巖與覆沙層耦合運動的結果。

2)覆沙層的下沉影響呈非線性變化，地表覆沙區域隨著覆巖的彎曲、垮落而出現流動的現象。

2.2 覆巖運移特征

在模型的左側留設30 m 邊界保護煤柱后進行開挖，煤層前后貫通形成開切眼，然后安裝支架，如圖3 和圖4 所示。支架上裝有與壓力監測儀相連的電纜，可以監測開采過程中頂板的來壓情況。

圖3 開切眼并安裝支架Fig.3 Open-off cut and support

圖4 直接頂初次垮落Fig.4 Initial collapse of immediate roof

圖5 模型開采結束后巖層最終的垮落狀態Fig.5 Collapse state of the model after mining

圖5 是模型開采結束后整體的垮落情況，由于開采形成的7 條大的裂縫，除模型左端開切眼處的裂縫與工作面推進方向成60°外，其他6 條裂縫均與工作面推進的反方向成60°，可以判定該工作面的垮落角為60°.

寧東煤田干旱少雨且處于毛烏素沙漠邊緣，地表多為風積沙覆蓋，基本無支承能力或承載能力極低，因此工作面覆巖離層或斷裂隨時間和開采擾動影響，將直接貫通地表。裂隙貫通時支架工作阻力達到最大，但煤壁并未出現全厚切落現象。當工作面推進至240 m 時，裂隙擴展至地表190 m 處，如圖6 所示。當工作面推進至350 m時，頂板裂隙擴展至工作面正上方，造成覆沙層彎曲、下沉，并出現向采空區低洼區流動的現象。

基本頂初次來壓過后，隨著工作面的推進，頂板來壓顯現呈一定周期性，支架后方基本頂懸空，只有一端支撐在煤壁上，由于受到采動影響，基本頂出現裂隙，整體性遭到破壞，在很短的跨度內就會垮落，造成來壓。因為跨度小，產生的危害雖較初次來壓小了很多，但周期來壓對工作面的回采依然會產生很大影響，因此在老頂初次來壓后，對后面周期來壓時造成的老頂破壞情況，來壓步距等情況經行了詳細的觀察。具體每次來壓步距和老頂垮落厚度分布特征圖見圖7.本次實驗從90 m老頂初次來壓，到開采完畢共發生16 次周期來壓，初次來壓步距為90 m，周期來壓步距分布在10 ～40 m 范圍內，平均為22.67 m.

圖6 裂隙導通地表Fig.6 Fracture conducting surface

圖7 來壓步距與老頂垮落厚度關系Fig.7 Relationship of weighting and roof collapse thickness

在開采過程中，支架移架前與移架后頂板垮落情況迥異，直接頂通常隨著支架的前移而垮落。通過對實驗過程中移架前后巖層的垮落的情況進行了統計，發現在推進距離為150，170，180，210，240，300，320，370，420，430 cm 時，移架后直接頂均出現大規?？迓?，共計10 次。與周期來壓時間對比發現:有7 次與周期來壓重合，有2 次發生在下一周期來壓前10 cm，1 次發生在下一周期來壓前30 cm.反映出大采高條件下工作面支架帶壓移架時將有70%的幾率出現頂板大范圍來壓現象，開采實踐時應選擇工作阻力較大的支架、密切注意頂板，防范頂板災害、支架壓死等現象。

2.3 巖層監測點運移特征

在開采煤層上覆巖層的水平方向上布設觀測線。根據預先估計選取模型中冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的分布情況，共布置a，b，c，d，e，f，6 排共108 個觀測點。觀測點之間橫向間距0.27 m，縱向間距0.25 m.在工作面推進至不同的階段，利用賓得R-22 型無棱鏡全站儀對測點沉降信息進行了8 次讀取。

圖8 是開采前后各觀測點沉降變化圖表，其中a，b，c，d，e，f 代表開采前各觀測點的原始高程(由于選取的高程基準面比實際模型高，所以高程均為負值)，A，B，C，D，E，F 代表開采結束上覆巖層基本穩定后各觀測點的高程?？梢钥闯鱿鲁炼际怯上挛粠r層逐漸向上位巖層發展。且下位巖層的下沉量明顯比上位巖層的下沉量大。且各上覆巖層的下沉趨勢基本保持一致。在距開切眼230 cm處下沉量最大為0.09 m. 圖中反映出各個巖層下沉走勢基本一致。覆巖下沉量由下位巖層向上位逐漸減小，三帶分布特征較為明顯。

圖8 開采前后觀測點高程波動圖Fig.8 Height fluctuation of observation points before and after mining

圖9 e 排監測點全過程下沉曲線Fig.9 Sinking curve of monitoring points for e row

圖9 反映了e 排觀測點在工作面推進至不同階段時的下沉量和下沉曲線圖。從圖中可以看出，下沉范圍隨著工作面的推進而不斷擴大，且下沉具有瞬發性。觀測點的高程變化隨著每一次周期來壓發生一次重大變化。開采工作結束后e 排觀測點平均垮落高度達6.4 cm，最大垮落高度為6.77 cm，呈U 字型下沉趨勢。

3 結 論

1)大采高工作面采高的進一步加大是實現礦井高產高效的發展方向，開展大采高工作面覆巖運移模擬的前瞻性模擬，研究大采高條件下工作面覆巖的運移及垮落特征，為大采高工作面的開采實踐提供指導。

2)隨著采場的不斷推進，頂板巖層的彎曲、破斷、垮落由下而上發展，采場覆巖結構、沙層的運動狀態也在不斷變化，由此而引起的地表覆沙層下沉、滑動是采空區上覆巖層與覆沙層運動的耦合結果。實驗表明，地表下沉最大值發生在距工作面切眼150 cm 處，為48.69 mm;250 cm 處下沉最大值為42.99 mm，可以確定150 ～250 cm 范圍內的區域為下沉盆地的盆底部分。隨著工作面的繼續推進，下沉盆地的底部部分將不斷向工作面推進方向延伸。

3)大采高工作面在開采90 m 時老頂初次來壓，到開采完畢(430 cm)共發生15 次周期來壓，初次來壓步距為90 m，周期來壓步距分布在10 ～40 m 范圍內，平均為22.67 m.

4)模型開采結束后在模型表面形成了7 條貫穿至地表的垮落裂縫，除模型左端開切眼處的裂縫與工作面推進方向成60°外，其他6 條裂縫均與工作面推進的反方向成60°，判定該工作面的垮落角為60°.

5)模型內部各巖層下沉范圍隨著工作面的推進而不斷擴大，觀測點的高程變化隨著每一次周期來壓發生一次重大變化。開采工作結束后e 排觀測點平均垮落高度6. 4 cm，最大垮落高度為6.77 cm，呈U 字型下沉趨勢。

References

［1］ 王金華.我國大采高綜采技術與裝備的現狀及發展趨勢［J］.煤炭科學技術，2006，34(1):4 -7.WANG Jin-hua.Present status and development tendency of fullymechanized coal mining technology and equipment with high cutting height in China［J］.Coal Science and Technology，2006，34(1):4 -7.

［2］ 袁 永，屠世浩，王 瑛，等.大采高綜采技術的關鍵問題與對策探討［J］. 煤炭科學技術，2010，38(1):4-8.YUAN Yong，TU Shi-hao，WANG Ying，et al.Discussion on key problems and countermeasures of fully mechanized mining technology with high mining height［J］.Coal Science and Technology，2010，38(1):4 -8.

［3］ 黃慶享.淺埋煤層長壁開采頂板結構及巖層控制研究［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2000.HUANG Qing-xiang.Study on roof structure and ground control in shallow seam lonwall mining［M］. Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2000.

［4］ 柴 敬，高登彥，王國旺，等.厚基巖淺埋大采高加長工作面礦壓規律研究［J］. 采礦與安全工程學報，2009，26(4):437 -440.CHAI Jing，GAO Deng-yan，WANG Guo-wang，et al.Study of ground pressure behavior of an extended mining face in a shallow seam with thick bedrock［J］.Journal of Mining ＆ Safety Engineering，2009，26(4):437 -440.

［5］ 王學軍，錢學森.厚煤層大采高全厚開采工藝研究與應用［J］.采礦與安全工程學報，2009，26(2):212 -216.WANG Xue-jun，QIAN Xue-sen.Research on large mining height technique for thick coal seams［J］.Journal of Mining Safety Engineering，2009，26(2):212 -216.

［6］ 付玉平，宋選民，邢平偉，等.大采高采場頂板斷裂關鍵塊穩定性分析［J］. 煤炭學報.2009.34(8):1 027-1 031.FU Yu-ping，SONG Xuan-min，XING Ping-wei，et al.Stability analysis on main roof key block in large mining height workface［J］. Journal of China Coal Society，2009，34(8):1 027 -1 031.

［7］ 郝海金，吳 健，張 勇，等.大采高開采上位巖層平衡結構及其對采場礦壓顯現的影響［J］.煤炭學報，2004，29(2):137 -141.HAO Hai-jin，WU Jian，ZHANG Yong，et al. The balance structure of main roof and its action to immediate roof in large cutting height workface［J］.Journal of China Coal Society，2004，29(2):137 -141.

［8］ 弓培林，靳鐘銘.大采高綜采采場頂板控制力學模型研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(1):193 -198.GONG Pei-lin，JIN Zhong-ming.Mechanical model study on roof controlfor fully-mechanized coal face with large mining height［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(1):193 -198.

［9］ 弓培林.大采高采場圍巖控制理論及應用研究［M］.北京:煤炭工業出版社，2006.GONG Pei-lin.Surrounding rock control theory and application study of the coal face with greater mining height［M］.Beijing:China Coal Industry Press，2006.

［10］蔡美峰，李玉民，來興平，等.大柳塔煤礦采空區動力失穩機理［J］.遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2009，28(1):1 -4.CAI Mei-feng，LI Yu-min，LAI Xing-ping，et al. Mechanism of dynamic destabilization of mined-out area during mining in Daliuta Coal Mine［J］. Journal of Liaoning Technical University:Natural Science，2009，28(1):1 -4.

［11］來興平.復雜特厚易燃煤層6.2 m 大采高開采集成技術研究［R］.西安:西安科技大學，2008.LAI Xing-ping.Research on integrated technology of 6.2 m mining height of complex thick coal mining［R］.Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2008.

［12］來興平，伍永平.復雜條件下采空區煤巖失穩辨識與災害控制基礎研究［M］. 西安:陜西科學技術出版社，2012.LAI Xing-ping，WU Yong-ping. Instability identification of coal and rock under complex conditions of mined-out area and basic research on disaster control［M］.Xi’an:Shaanxi Science and Technology Press，2012.

［13］鞠金峰，許家林，王慶雄. 大采高采場關鍵層“懸臂梁”結構運動型式及對礦壓的影響［J］. 煤炭學報，2011，36(12):2 115 -2 120.JU Jin-feng，XU Jia-lin，WANG Qing-xiong. Cantilever structure moving type of key strata and its influence on ground pressure in large mining height workface［J］.Journal of China Coal Society，2011，36(12):2 115 -2 120.

［14］田曉華.羊場灣井田構造復雜程度與煤層穩定程度定量劃分［J］.煤田地質與勘探，2009，37(2):6 -9.TIAN Xiao-hua.Quantitative classification of complicated degree of structures and coal seam stability in Yangchangwan mine-field［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2009，37(2):6 -9.

［15］周光華，伍永平，林紅梅，等.復雜特厚煤層6.2 m 采高開采工藝優化［J］. 西安科技大學學報，2010，30(4):397 -401.ZHOU Guang-hua，WU Yong-ping，LIN Hong-mei，et al.Optimization of 6.2 m high mining technology in complex and extra-thick coal seam［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2010，30(4):397-401.

［16］李智佩，徐友寧，郭 莉，等.陜北現代化煤炭開采區土地沙漠化影響及原因——以大柳塔-活雞兔礦區為例［J］.地球科學與環境學報，2010，32(4):398 -403.LI Zhi-pei，XU You-ning，GUO Li，et al.Impacts and causes of land desertification in modern coal mining districts in the North of Shaanxi province:a case study from Daliuta-Huojitu mining district［J］.Journal of Earth Sciences and Environment，2010，32(4):398 -403.

［17］傅宇方，祁宏偉，黃明利，等.巖石破裂過程中圍壓效應的數值實驗研究［J］. 遼寧工程技術大學學報，2000(10):25 -29.FU Yu-fang，QI Hong-wei，HUANG Ming-li，et al. The numerical simulation of effect of confining pressures on failure process of rock［J］.Journal of Liaoning Technical University，2000(10):25 -29.

［18］溫彥良，常來山，張宏偉.急傾斜煤層頂板垮落過程的RFPA2D 數值模擬研究［J］. 中國礦業，2011，20(1):111 -116.WEN Yan-liang，CHANG Lai-shan，ZHANG Hong-wei.Numerical simulation study on roof failure process in steep-inclined coal seam with RFPA2D［J］.China Mining Magazine，2011，20(1):111 -116.

［19］唐春安，趙 文.巖石破裂全過程分析軟件系統RFPA2D［J］.巖石力學與工程學報，1997(10):19 -21.TANG Chun-an，ZHAO Wen.Rock failure process analysis software system RFPA2D［J］. Journal of Rock Mechanics and Engineering，1997(10):19 -21.