多煤層組重疊開采覆巖活動(dòng)規(guī)律相似模擬研究

張喜銘

（山西忻州神達(dá)金山煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程背景

山西忻州神達(dá)金山煤業(yè)礦區(qū)開采歷史悠久，開采形式多樣。在“雙系”煤層群開采中，上部煤層開采后會(huì)引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布，使下部煤層覆巖應(yīng)力發(fā)生變化[1]。121采區(qū)12102綜采工作面煤層頂板屬砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板為泥巖，較為穩(wěn)定，整體性強(qiáng)。12102綜采工作面井田邊界都留有保安煤柱，該工作面東部為12103工作面采空區(qū)保安煤柱，西部為12101工作面回風(fēng)順槽保安煤柱，南部為井田邊界保安煤柱，北部是12#煤層回風(fēng)下山保安煤柱。工作面回采后，可能造成地面緩慢下沉并產(chǎn)生裂縫。

12#煤層煤厚1.09～2.76m，平均2.2m，煤層穩(wěn)定，不含夾矸。12102工作面傾向長(zhǎng)149.3m，走向長(zhǎng)度1240m，沿煤層走向推進(jìn)，屬于走向長(zhǎng)壁后退式綜采工作面，采用走向長(zhǎng)壁全部垮落、一次采全高的采煤方法。本文基于相似模擬試驗(yàn)手段揭示覆巖位移、裂隙及應(yīng)力演化分布規(guī)律，獲取上覆區(qū)域巖體空間分布形態(tài)，為下部煤層后期開采中的支護(hù)控制提供指導(dǎo)。

2 相似材料配比強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

（1）試件單向抗壓強(qiáng)度測(cè)試

考慮到12102綜采工作面頂板覆巖砂質(zhì)泥巖或泥巖的性質(zhì)，本試驗(yàn)以沙子為骨料，以水泥、石膏與石灰為膠結(jié)料，硼砂為緩凝劑，制作單向抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件[2]。試件的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)選擇為直徑5cm，高度10cm，體積196.25cm3，圓柱形模具，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為一組，并結(jié)合材料計(jì)算出每組標(biāo)準(zhǔn)試件的總質(zhì)量。按照既定配比參數(shù)，制定好的標(biāo)準(zhǔn)試件在室內(nèi)自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，其中砂、石膏、水泥配比試件養(yǎng)護(hù)7d，砂、石膏、石灰配比試件養(yǎng)護(hù)3d。試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束立即進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測(cè)定。試件單向抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備為WAW-600C型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，單向抗壓強(qiáng)度R（MPa）的計(jì)算公式為：

式中：

P-標(biāo)準(zhǔn)試件破壞載荷，kN；

F-標(biāo)準(zhǔn)試件初始截面積，cm3。

試驗(yàn)中對(duì)試件單向抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行記錄，完成試驗(yàn)曲線圖。

（2）試件單向抗拉強(qiáng)度測(cè)試

單向抗拉強(qiáng)度試件的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為直徑5cm，厚度2.5cm，圓盤形。試驗(yàn)開始時(shí)，將試件進(jìn)行處理，在試件直徑兩端沿軸線方向畫兩條平衡線，作為試件試驗(yàn)中的加載基線。將試件基準(zhǔn)線對(duì)準(zhǔn)夾具上、下刀刃，放入夾具并固定好，并將夾好的試件放入材料試驗(yàn)機(jī)，并確保二者中心線一致。之后對(duì)試件進(jìn)行荷載試驗(yàn)，緩慢加載至試件破壞。試件單向抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中：

R1-試件單向抗拉強(qiáng)度，MPa；

D-試件直徑，cm；

L-試件厚度，cm。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，并完成試驗(yàn)曲線圖。

（3）相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

結(jié)合12102綜采工作面屬性特征與開采環(huán)境、開采技術(shù)等信息，本文試驗(yàn)采用ZYDL-YS200微機(jī)控制伺服巖體平面相似材料模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并依據(jù)試驗(yàn)裝置的尺寸數(shù)據(jù)、試驗(yàn)?zāi)M開采范圍數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)合理的模型。模擬試驗(yàn)中，嚴(yán)格按照各煤層實(shí)際模擬尺寸進(jìn)行模型鋪設(shè)施工。相似模擬巖層厚度、對(duì)應(yīng)材料配比、容重相似比、幾何相似比、時(shí)間相似比、應(yīng)力相似比等參數(shù)，需嚴(yán)格結(jié)合試驗(yàn)需要設(shè)置。在整個(gè)模擬試驗(yàn)過程中，對(duì)模擬煤層開采中裂隙發(fā)育過程的監(jiān)測(cè)，需用高清數(shù)碼相機(jī)監(jiān)測(cè)，應(yīng)變測(cè)值的采集則采用三維光學(xué)靜態(tài)變形測(cè)量系統(tǒng)[3]。為反映12102綜采工作面的真實(shí)情況，以及煤層和巖層變化趨勢(shì)與大小，在相應(yīng)位置設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置在支承煤柱與覆巖關(guān)鍵層位置，埋設(shè)位置與數(shù)量則結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)?zāi)M化進(jìn)行設(shè)置。

3 開采試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）石炭系近距離煤層群開采試驗(yàn)結(jié)果

神達(dá)金山煤業(yè)礦區(qū)石炭系煤層群采用走向長(zhǎng)臂式與房柱開采交錯(cuò)布置，12102綜采面12#煤層至13#煤層開采試驗(yàn)結(jié)果顯示，12#煤層采用走向長(zhǎng)壁式開采時(shí)，從測(cè)線變化來看，初始階段1～3測(cè)線縱向間距相等，隨著開采的進(jìn)行，測(cè)線2與測(cè)線3間距出現(xiàn)變化，明顯增加，覆巖開始呈現(xiàn)垮落下沉的跡象，說明測(cè)線3處于冒落帶位置（圖1）。

隨著工作面的推進(jìn)，在走向長(zhǎng)壁開采過程中，頂板發(fā)生周期性垮落，而且覆巖層間出現(xiàn)裂隙。隨著裂隙的不斷發(fā)育，頂板呈現(xiàn)彎曲下沉和斷裂加大。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，覆巖裂隙隨煤層采出而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)化趨勢(shì)，表現(xiàn)出覆巖裂隙產(chǎn)生、擴(kuò)展、發(fā)育的共性規(guī)律。不同煤層采用何種采煤方式，使覆巖破斷呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，當(dāng)上下部煤層均采用走向長(zhǎng)壁式開采時(shí)，由于煤層間距近，且覆巖經(jīng)歷雙重卸壓，易引發(fā)上部煤層頂板二次垮落，最終使覆巖裂隙發(fā)育范圍較廣（圖2）。

圖1 走向長(zhǎng)壁式開采斷裂和彎曲下沉圖

圖2 煤層群開采模型局部放大

隨著模擬試驗(yàn)的不斷進(jìn)行，石炭系近距離煤層群各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)不斷變化，煤層以走向長(zhǎng)壁式開采以后，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力加大，支承煤柱應(yīng)力集中系數(shù)大幅降低，原因在于上下層間巖層起到了應(yīng)力分散作用，但這進(jìn)一步加大了巖層垮落的可能性。尤其在走向長(zhǎng)壁式開采模式下，上部開采使工作面形成大面積高應(yīng)力區(qū)，多煤層則導(dǎo)致覆巖多重應(yīng)力疊加，使得下部面臨更復(fù)雜的礦壓控制與支護(hù)問題。

（2）石炭系厚煤層開采試驗(yàn)結(jié)果

位于下部煤層的石炭系煤層群，隨著開采空間的不斷加大，位于直接頂位置的測(cè)線14則發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)化變化，測(cè)線14下沉值明顯高于其他測(cè)線。隨著工作面推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)下沉值開始變化，工作面推進(jìn)越遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)下沉值越大。當(dāng)工作面推進(jìn)到147m時(shí)，關(guān)鍵巖層開始垮落。隨著下部石炭系煤層開采進(jìn)行，上部石炭系煤層受到擾動(dòng)影響，覆巖整體性進(jìn)一步破壞（圖3）。石炭系煤層與石炭系煤層開采不斷進(jìn)展，二者巖層裂隙開始出現(xiàn)相互連通現(xiàn)象，關(guān)鍵層開始冒落，巖層大面積垮落。也就是說，當(dāng)石炭系與石炭系煤層群工作面不斷推進(jìn)后，整個(gè)煤區(qū)形成復(fù)雜的多層采空區(qū)連通狀態(tài)，一旦上部煤層出現(xiàn)積水或有毒有害氣體，將直接影響下部煤層。

圖3 石炭系煤層頂板垮落破碎形態(tài)

從模擬試驗(yàn)可知，不同層位的超前支承壓力分布不同，層位越高，支承壓力峰值越大，距煤壁距離越大；層位越低，支承壓力峰值越小，距煤壁距離越小。

4 多煤層組重疊開采覆巖活動(dòng)規(guī)律系統(tǒng)分析

從本文的多煤層組重疊開采相似模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，相對(duì)于單一煤層開采，多么層組重疊開采更加復(fù)雜，其相應(yīng)的覆巖活動(dòng)也更復(fù)雜多變，且不同煤層的開采進(jìn)度會(huì)產(chǎn)生相互影響作用。實(shí)踐開采工作中，煤層的上覆系統(tǒng)是由其直接上覆巖層與上煤層加上煤層覆巖層而構(gòu)成的，因此下部煤層開始開采時(shí)，上覆系統(tǒng)若有多個(gè)煤層已開采，而且其覆巖發(fā)生垮落，則待采的下部煤層的上覆系統(tǒng)將對(duì)其直接上覆巖體產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力或形變影響。但在實(shí)際開采中，通常是先開始淺部煤層，自上而下的進(jìn)行，這會(huì)使每個(gè)煤層隨時(shí)間而趨于一個(gè)平衡狀態(tài)。周而復(fù)始，直至煤層群開采完畢。

模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析，對(duì)神達(dá)金山煤業(yè)礦區(qū)121采區(qū)的采煤工作具有積極的作用，尤其是對(duì)工作面掘進(jìn)中的礦壓控制和支護(hù)具有較高的價(jià)值。通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)覆巖活動(dòng)規(guī)律，并對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)支護(hù)方案，有效地保證了神達(dá)金山煤業(yè)礦區(qū)的采煤工作效益。