薄煤層工作面覆巖運動規律相似模擬研究

郭 路

（晉城煤業集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019）

煤層賦存具有多樣性和復雜性，開采過程中覆巖的破壞具有不連續性，因此無法通過建立統一模型解析覆巖破壞形式，相似模擬依據巖層相似理論[1-3]，通過建立實物小模型分析巖層運動規律，研究單個或多個因素對巖層運動的影響已得到廣泛應用。本文以寺河煤礦二號井九四盤區首個薄煤層工作面94311為研究背景，旨在通過相似模擬得出覆巖運動的基本規律，從而確定有效的支護方式及頂板控制措施，保障工作面的安全生產。

1 工程概況

寺河煤礦二號井94311工作面為該礦九四盤區首個薄煤層工作面，煤層厚度1.1～1.8m，為山西組9#煤層。地質力學測試結果表明，該區域最大主應力以水平應力為主，五個測站最大主應 力 分 別 為 12.01MPa、11.82MPa、7.53MPa、6.88MPa、14.56MPa；最大主應力方向介于N37.20W～N67.50W之間。

9#煤層直接頂主要以泥巖為主，強度多在30～45MPa之間。老頂主要以中砂巖和灰巖為主，強度集中在65～120MPa之間。底板由致密的灰巖構成，強度平均在90MPa左右。

2 相似模擬試驗方案設計

2.1 模擬試驗相似系數確定

根據本次試驗目的，綜合考慮到試驗可操作性和實際性，依據相似準則，本次試驗取相似系數如下：

（1）幾何相似

式中：

Lm-模型尺寸；

Lp-原型尺寸。

（2）時間相似

式中：

Tm-模型時間；

Tp-原型時間。

（3）容重相似

式中：

γm-模型容重，取1.5×104kg/m3；

γp-原型容重，取2.5×104kg/m3。

（4）其它相似

強度比：

彈模比：CE=Cr×CL=0.012

外力比：CP=Cr×CL3=4.8×10-6

泊松比：Cμ=1

2.2 試驗方案設計

依據本次試驗目的，建立長×寬×高=4.0×0.3×2.0（m）的平面應力模型。根據巖石力學參數測試結果以及相似系數計算各模擬巖層的強度，選取相似模擬試驗巖層配比號，采用云母片進行模擬巖層間節理等弱面。模型巖層配比參數如表1所示。

表1 模型巖層配比參數表

模型中未模擬出的上覆巖層載荷qm為：

式中：

qm-未模擬巖層自重應力，N；

qp-原型自重應力，N；

γp-原型容重，取2.5×104kg/m3；

H-工作面采深，432m；

Hl-模型模擬頂板巖層厚度，m；

cσ-應力比。

式中：

L-模型長度，m；

b-模型寬度，m；

S-模型面積，m2；

P-模擬外力，N。

通過計算得模型模擬外力為123120N，加載系統共13個油缸，單個油缸加力為9470.77N。油缸斷面積是所以單個油缸應加外力Pm=9470.77/3.116×10-3=3.04Pa。

2.3 測點布置及測試設備

為研究薄煤層工作面開采后覆巖移動變形規律，采用在模型上不同高度布置4條位移監測測線的方式進行觀測，如圖1所示。實驗過程中采用相機拍攝模型開挖過程中頂板巖層活動演化過程，使用全站儀觀測覆巖移動變形變化規律，用標尺來標定覆巖裂隙發育高度。

圖1 位移測線布置示意圖

3 實驗現象分析

模型開挖時，為了減小模型的邊界效應，兩端各留出30cm保護段，由左向右逐步開挖。

3.1 直接頂垮落

當開挖至25cm（實際12.5m）時，工作面直接頂與上部巖層開始出現離層，工作面老頂也產生微小裂隙，隨著工作面的繼續開挖，直接頂懸露面積也繼續加大；當工作面推進37cm（實際18.5m）時，直接頂發生垮落，垮落巖層呈不規則塊狀結構，如圖2所示。

圖2 直接頂垮落圖

3.2 老頂初次來壓

隨著繼續開挖，老頂及上覆巖層裂隙繼續向上擴展；當工作面推進44cm（實際22m）時，老頂開始與上覆巖層出現離層，且巖層裂隙明顯增大；當開挖至54cm（實際27m）時，老頂發生初次垮落，垮落巖層呈梯形，老頂初次破斷距為27m，巖層垮落高度為22cm（實際11m），如圖3。

圖3 老頂初次來壓

3.3 老頂第一次周期來壓

當工作面推進70cm（實際35m）時，巖層裂隙繼續向上發展，上方巖層中的粉砂巖、砂質泥巖離層量比較大；當工作面推進85cm（現場42.5m）時，老頂同上方控制的巖層一起在工作面后方發生破斷，老頂發生第一周期來壓，煤壁側的覆巖垮落角為60°，步距為15.5m，此時，上覆巖層裂隙發育高度達到45cm（22.5m）。

3.4 巖層最終垮落

隨著工作面繼續推進老頂在工作面后方周期性發生破斷，上方裂隙不斷向上發展，采空區上方巖層不斷被壓實，離層趨于閉合，工作面前方不斷有新生裂隙產生，覆巖裂隙帶高度發育逐步穩定。

綜上分析，直接頂初次垮落步距為18.5m，老頂初次來壓步距為27m，周期來壓步距為12.5～15.5m，平均為13.67m，煤壁側、采空區的垮落角分別為73°、67°。

4 覆巖移動規律分析

在模型開挖過程中使用全站儀對位移觀測點進行監測，繪制不同時期形成的下沉曲線圖。如圖4所示。

圖4 巖層中位移測線下沉曲線圖

由圖4覆巖位移分析可知，當工作面開挖至54cm（27m）時，老頂初次來壓，位于采場頂板附近測線一上部分測點出現垂直位移，最大下沉量為14mm；而測線二、測線三、測線四的垂直位移不明顯。當推進距離86cm（43m）時，測線一、測線二上位于采場附近的測點的垂直位移較大，測線一最大下沉量為20mm，而測線三和測線四的垂直位移不明顯。當推進距離146cm（73m）時，測線一和測線二上采場附近測點的垂直位移最大，測線一最大下沉量為27mm，測線二最大下沉量為23mm，測線三最大下沉量為21mm，測線四最大下沉量為18mm。當推進距離236cm（118m）時，測線一至測線六中采場附近測點的垂直位移均有不同程度的增加。隨著工作面的繼續推進，采場附近測點的位移均出現較大幅度的波動，采動影響也向著更高層位巖層處傳遞，當推進距離320cm（160m）時，測線一、測線二、測線三、測線四最大下沉量均出現在工作面后方，分別達到27mm（1.35m）、25mm（1.25m）、24mm（1.2m）和18mm（0.9m）。

5 結論

通過薄煤層開挖相似模擬實驗得出以下結論：

（1）薄煤層工作面直接頂初次垮落步距為18.5m，老頂初次來壓步距為27m，周期來壓步距為12.5～15.5m，平均為13.67m，得出了該工作面的覆巖移動規律，對提高該工作面的安全生產和提高采出率具有指導意義。

（2）巖層運動呈現出明顯的分層運動特征，且帶有非同步非均勻特征。

（3）沉降過程呈現連續特征，巖層沉降曲線形態與地表沉降曲線形態較為相似。