薄基巖工作面開采物理相似模擬研究

曾一鳴(山西高河能源有限公司，山西 長治 046205)

薄基巖工作面開采物理相似模擬研究

曾一鳴
(山西高河能源有限公司，山西 長治 046205)

對某煤礦薄基巖工作面取樣，進行覆巖巖性分析及巖石物理力學參數測試，同時對頂板覆巖結構做鉆孔窺視分析，以此來研究薄基巖回采巷道的穩定性影響因素；通過物理相似模擬試驗，研究薄基巖工作面開采過程中覆巖移動破壞規律，得出薄基巖區域工作面覆巖巖層整體性差，覆巖垮落類似于整體彎曲下沉，覆巖懸而不落。該礦21406工作面薄基層覆巖垮落高度約為正常基巖的2.1倍，21203工作面薄基巖覆巖垮落高度約為正常基巖的1.8倍。該結論可為該礦薄基巖工作面巖層控制提供指導。

薄基巖工作面；覆巖結構分析；物理模擬；對比分析

在我國，許多礦區都存在薄基巖地質條件的煤層，如神東礦區、永城礦區、濟寧礦區等[1-3]. 目前的研究主要集中在薄基巖工作面開采沉陷規律[4]、防水煤柱留設等[5]. 本文針對某礦特定條件，通過相似模擬實驗，研究了常規工作面和薄基巖工作面覆巖移動規律，對比分析了二者的不同，為該礦薄基巖工作面巖層控制提供指導。

1 現場概況

某煤礦21406工作面及21203工作面均含有厚松散層薄基巖，兩工作面煤層平均厚度3 m，為中厚煤層；工作面煤層無大傾角，平均傾角7°，為近水平煤層。厚松散層薄基巖區內其工作面煤層無特殊構造，構造發育簡單。

為了研究該煤礦厚松散層薄基巖區工作面覆巖力學性質，在該煤礦21406工作面Z4#鉆場設置覆巖取樣點。Z4#鉆場處于21406工作面中間巷，距巷道口440 m. 其巖芯取樣地點見圖1. 巖芯鉆孔位置、長度及角度見表1. 薄基巖段頂底板試樣力學參數見表2.

根據該礦薄基巖覆巖取樣及力學性質實驗結果可知，厚松散層薄基巖區覆巖主要為泥巖，巖層均較薄，其覆巖單層最大厚度低于4 m，且強度偏低，其覆巖抗壓強度最大僅為21.79 MPa，薄基巖區工作面覆巖不能形成穩定的砌體梁結構，故其不具備支撐上覆松散層重量的能力。

圖1 厚松散層薄基巖覆巖巖芯取樣位置圖

表1 巖芯鉆孔位置、長度及角度表

2 模擬計算結果分析

本文物理模擬實驗應用的模型為平面應力模型，按照研究原型的幾何尺寸，確定物理模擬實驗模型的幾何尺寸長5 000 mm×高1 700 mm×寬300 mm. 考慮實驗架的邊界條件影響，模型工作面只開挖中部4 000 mm范圍，兩端各留設500 mm的邊界影響區域，中間留設的隔離煤柱長420 mm，即模型模擬的工作面的開采長度為358 m；該模型工作面模擬煤層厚度3 m、底板厚度為18 m，覆巖厚度為149 m. 模擬工作面的最大埋深為410 m，原巖的垂直應力為10.25 MPa，物理模型沒有設計鋪設至地表面，還有厚度261 m的覆巖松散層未模擬，模型還需外部再加載0.039 MPa的垂直應力。

表2 薄基巖段頂底板試樣力學參數表

礦井實際地質條件中，工作面頂板上覆巖層從正常基巖區到薄基巖影響區的地質條件存在一個漸變過程，因而，整個模型鋪設時分為正常基巖區模擬段、過渡區模擬段和薄基巖影響區模擬段、過渡區模擬段、正常基巖區模擬段共5個部分。其中過渡區模擬段又劃分為30 m過渡區模擬段以及45 m過渡區模擬段。薄基巖區留設42 m保護煤柱(圖2中虛線標示區域)。模型尺寸示意圖見圖2.

圖2 某煤礦厚松散層薄基巖物理模擬模型設計圖

該礦物理模擬模型圖見圖3. 模型21406工作面研究區域在第2次回采移架后，直接頂即在支架后方產生2 m的離層，同時，基本頂在支架后方產生3 m的離層；研究區域進行第3次的回采移架后，直接頂出現了初次跨落，其跨落長度為11 m，此時，基本頂離層延伸擴展到14 m，基本頂在支架后方產生0.5 m裂隙，見圖4. 模型21203工作面研究區域進行第3次回采移架后，直接頂出現初次跨落，其跨落長度為5 m，見圖5.

圖3 某礦物理模擬模型圖

圖4 21406工作面直接頂初次垮落圖

圖5 21203工作面直接頂初次跨落圖

隨著工作面回采長度的不斷增加，模型21406工作面研究區域在第5次開采后(工作面向前開采到約30 m)，基本頂顯現出彎曲下沉的現象，此時，基本頂離層長度延伸到24 m，支架后方基本頂裂隙擴展到1.3 m，出現了跨落，其跨落長度為12 m；在第6次開采后(工作面向前開采到約35 m)工作面基本頂發生跨落，此為初次垮落，其跨落步距為22 m，此時覆巖離層發育到煤層覆巖第3層，細粒砂巖層，長25 m，見圖6. 對于21203工作面研究區域，煤層回采過程中，沒有出現明顯的基本頂初次跨落跡象，在回采薄基巖影響區的過程中，該工作面頂板表現出彎曲下沉，頂板雖然明顯離層，但懸而不掉，見圖7.

圖6 21406工作面基本頂初次跨落圖

圖7 21203工作面基本頂離層彎曲圖

隨著工作面不斷向前開采，工作覆巖裂隙繼續向上發育。在第7次回采后，21406工作面研究區域工作面覆巖第3層頂板細粒砂巖層發生跨落，跨落步距29 m；而21203工作面研究區域覆巖發生彎曲下沉，煤層頂板鋁質泥巖層出現下沉，與上覆巖層產生較大離層。當第8次回采后，21406工作面研究區域的基本頂出現周期跨落，其跨落步距為10 m；而21203工作面研究區域煤層頂板的離層發育到煤層頂板覆巖18 m處，長15 m，見圖8，9.

圖8 21406工作面第8次回采圖

圖9 21203工作面第8次回采圖

在第9次回采后，21406工作面研究區域煤層覆巖第5層頂板發生跨落，距煤層高度15 m，跨落的長度為25 m，此時，頂板跨落角度約為61°，工作面支架后方產生了部分微小裂隙，距煤層頂板高度21 m處產生微小的離層，離層長度約為8 m；21203工作面研究區域工作面支架上方產生大量裂隙，頂板跨落角73°，離層發育到煤層頂板上方松散層，其在煤層頂板上方25 m、28 m、32 m處出現離層，分別長28 m、25 m、10 m，其中，28 m處頂板離層較大。見圖10，11.

圖10 21406工作面第9次回采圖

圖11 21203工作面第9次回采(開挖50 m)圖

在第10次回采后，21406工作面研究區域離層發育到煤層上方31 m處，長17 m，此時，煤層頂板覆巖高度27 m處出現較大離層，離層長度為20 m，頂板跨落角為61°；21203工作面研究區域出現整體切落，巖層之間無法形成穩定結構，頂板離層進一步擴大，其中32 m高度離層長度發展到18 m，此時，頂板跨落角為75°，分別見圖12，圖13.

圖12 21406工作面第10次回采圖

圖13 21203工作面第10次回采圖

當第17次回采后，21406工作面研究區域工作面上方離層發育至工作面上方36 m，長20 m；21203工作面研究區域采場后方的采空區覆巖離層發育至工作面覆巖高度37 m處，離層長度為10 m，分別見圖14，圖15.

圖14 21406工作面第17次回采(開挖90 m)圖

圖15 21203工作面第17次回采(開挖90 m)圖

在第25次回采后，21406工作面研究區域工作面上方42 m處出現較大裂隙和離層，其發育高度已達到松散層；而21203工作面研究區域工作面上方離層發育至38 m. 薄基巖段的開采過程中，直接頂、基本頂及上覆巖層在工作面的回采影響下，巖層整體性較差，垮落步距減小，難以形成穩定的頂板承載結構，不能支撐上覆巖層的重量。見圖16，17.

圖16 21406工作面第25次回采(開挖130 m)圖

圖17 21203工作面第25次回采(開挖130 m)圖

從以上分析可以看出，薄基巖段工作面回采過程中，在3次回采后，基本頂便發生斷裂，頂板垮落步距并不明顯，在采煤移架之后，頂板巖層隨即產生裂隙，頂板離層現象更為明顯。

從巖層回采時的離層高度來看，對比模型前9次回采，正常基巖段的巖層離層發育至工作面上方約21 m處，而薄基巖段巖層離層發育至工作面上方約32 m處。同時，正常基巖段工作面上覆巖層完整性較好，可以形成一定的承載結構，巖層垮落遠滯后于工作面的回采過程；薄基巖段的工作面頂板巖層整體性差，在回采工序結束后，頂板在較短時間內發生離層垮落，穩定性差。

3 結 論

1) 通過相似模擬實驗可以發現，相較于正常基巖回采，薄基巖區域工作面覆巖巖層整體性較差，垮落步距小，跨落高度高，難以形成穩定的頂板承載結構支撐上覆巖層重量，其頂板跨落角較大，覆巖跨落更類似于整體彎曲下沉，覆巖懸而不斷。

2) 對于21406工作面而言，其薄基巖覆巖跨落高度約為正常基巖的2.1倍，而對于21203工作面而言，其薄基巖覆巖跨落高度約為正常基巖的1.8倍。

[1] 孟凡非，浦 海，陳家瑞，等.基于顆粒離散元的薄基巖裂隙擴展規律[J].煤炭學報,2017(02):421-428.

[2] 賈后省，馬念杰，趙希棟.淺埋薄基巖采煤工作面上覆巖層縱向貫通裂隙“張開—閉合”規律[J].煤炭學報,2015(12):2787-2793.

[3] 王海波.司馬煤礦薄基巖導裂帶高度主控因素研究[J].山西焦煤科技,2017(04):12-15+35.

[4] 李 磊.榆林礦區淺埋深厚土層薄基巖煤層開采覆巖破壞規律研究[J].煤礦開采,2017(03):62-64+103.

[5] 張永剛，李運江，劉延欣，等.厚松散層薄基巖下煤柱留設類型轉變研究[J].煤炭技術,2017(05):63-65.

ResearchonPhysicalSimilaritySimulationinThinBedrockWorkingFace

ZENGYiming

By sampling thin bedrock in a coal mine working face, analysis and test for physical and mechanical parameters of rock lithology are conducted, together with the research for the roof strata structure by boring hole, so to have a detail study on the factors that influence the stability of thin bedrock roadway.

Thin bedrock working face; Overlying rock structure analysis; Physical simulation; Comparison and analysis

·試驗研究·

2017-07-24

曾一鳴(1984—)，男，山西長治人，2017年畢業于中國礦業大學(北京)，工程碩士，助理工程師，主要從事煤礦生產管理工作(E-mail)ghnyzym@163.com

TD323

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1672-0652(2017)10-0026-04