石港煤業15109綜放工作面覆巖破斷規律研究

蘆寶玉

（山西石港煤業有限責任公司，山西 左權 032612）

0 引言

綜采放頂煤采煤法具備巷道布置簡單、回采效率高、人力成本低等特點[1]，綜放開采雖然具備上述優點，但也伴隨大量問題，如資源回收率低、放煤后瓦斯積聚等問題，對此，大量學者進行研究：許延春[2]提出一種適用于綜放工作面中硬、軟巖圍巖條件下的“兩帶”發育高度經驗計算公式；王國法[3]建立了支架圍巖耦合控制力學模型，提出了大采高綜放開采支架設備選型的依據；閆少宏[4]對大采高綜放開采的工作面參數、煤炭資源采出率等問題進行探討；張宏偉[5]通過理論分析提出綜放工作面覆巖頂板破壞高度，應用計算機數值仿真的方法予以驗證；王金華[6]通過理論分析與現場實測相結合的方法提出了高產高效放煤技術與“低賦存、高涌出”條件下的安全開采綜合技術。

盡管針對綜放開采，我國已有部分學者做出大量研究，但綜放工作面覆巖頂板垮落規律一直以來仍是綜放開采的研究重點之一，對此，以石港煤業15109工作面為研究背景，通過理論分析與物理相似模擬的方法，分析綜放工作面覆巖頂板運移規律，研究結果可對同類地質條件下的綜放開采頂板治理問題提出指導。

1 工程背景

石港煤業15109工作面埋深平均埋深421m，工作面走向長度1172m，傾向長度150m，煤層傾角平均6°，工作面煤層厚度平均7.21m，煤層賦存穩定，一般含3層夾肝，煤層節理發育，具體頂底板巖性參數見表1。

表1 15109工作面頂底板巖性參數表

2 相似模擬試驗

2.1 相似模擬試驗模型設計

試驗以石港煤業15109綜放工作面為背景，直接頂、老頂分別為泥巖、石灰巖，直接底為泥巖，老底為鋁土質泥巖，建立15109綜放工作面相似模擬試驗模型，模擬設計相似比如下：

1）幾何相似比。

幾何相似比旨在將試驗模型與原始地層的幾何尺寸以一定比例同比例縮放，幾何相似比計算方法如式（1）：

式中：Ly為原始地層尺寸；Lm為試驗模型尺寸；Cl為幾何相似比。最終確定幾何相似比為100:1。

2）容重相似比。

容重相似比旨在將試驗模型與原始地層的容重以一定比例同比例縮放，容重相似比計算方法如式（2）：

式中：Cy為原始地層容重；Cm為試驗模型容重；Cγ為容重相似比。取原始地層容重為2.6g/cm3，試驗模型取平均容重為1.7g/cm3，最終確定容重相似比為1.53:1。

3）應力相似比。

應力相似比旨在將試驗模型與原始模型的應力分布以一定比例同比例縮放，應力相似比計算方法如式（3）：

式中：αy為原始地層平均密度；αm為試驗地層平均密度，最終確定應力相似比為153:1。

2.2 相似模擬試驗配比確定

相似模擬試驗常以粉煤灰、大白粉、石膏骨料、河沙、水等作為原材料，以一定比例配合制備，按上述相似比記性調配，結合礦區地質資料及試驗測得的巖石力學參數，確定能夠適應礦區實際環境的各巖層力學參數，最終計算得出配比參數見表2。

2.3 相似模擬試驗結果

設計模型左右兩邊各預留50m寬度的邊界煤柱，工作面開挖步距3m，模擬工作面開采過程時，采放比1:1.76，采用隨采隨放工藝進行施工，同時用模擬支架替代工作面的移架過程，同時在模型中布置測點，監測模型開挖后應力分布狀況。

工作面推進至64m時，頂板初次垮落，左側頂板跨落角45°，右側跨落角38°，垮落帶發育高度23.2m，頂板懸頂距離為38m，在放煤工作開始之前，頂板以“砌體梁”形式穩定鉸接，采空區左右兩的巖塊分別發生正向回轉與反向回轉，頂板跨落后形成穩定的拱形結構，最大裂隙高度為6.8m，當移動支架放出頂煤后，頂板繼續向前跨落，最終區域穩定，頂板初次垮落圖如圖1所示。

表2 15109工作面相似模擬試驗配比參數表

圖1 相似模擬試驗頂板初次垮落圖

工作面推進至79m時，工作面上方頂板再次垮落，左側回轉角為44°，與初次來壓時差異不大，右側回轉角降至32°。頂板裂隙帶進一步向上方擴展，初次來壓期間的空頂區域逐漸被壓實，同時在其上方約22m的位置出現新的空頂區域，頂板懸空長度減小，由原來的38m減小為28m，垮落的巖體重新分布后重新區域穩定，表明工作面推進存在周期來壓現象，隨著頂煤的放出，頂板繼續垮落，垮落范圍沿橫向縱向均有所拓展，由此能夠得出，在頂煤放出過程中，頂板上方積聚的能量得到釋放，此時支架所受壓力較大，應該在這一階段加強支架設備的管理等措施。

隨著工作面的持續推進，工作面周期來壓現象也間斷發生，累計共發生來壓現象8次，其中初次來壓1次，周期來壓7次，平均周期來壓步距15m，第三、四、六、七次周期來壓時垮落圖如圖3所示。

圖3 相似模擬試驗周期來壓垮落圖

在工作面推進過程中，采用模擬支架代替工作面液壓支架，通過模型中布置的測點測定支架支護阻力如圖4所示。由圖4可知，支架在工作面推進過程中，共監測到來壓次數為8次，其中，在工作面推進至64m時，支架支護阻力劇增，達到4987kN。

圖4 模擬支架支護阻力分布圖

3 現場實測研究

結合相似模擬試驗結果，在15109工作面進行現場應用，現場液壓支架支護阻力分布圖如圖5所示，由圖5可知，工作面在推進至66m時，支架支護阻力劇增，達到5050kN，隨著工作面的繼續推進，老頂隨工作面推進持續垮落，在工作面推進至81m處，支架支護阻力再度劇增，判定此時工作面發生周期來壓，周期來壓步距為15m，與相似模擬結果基本吻合，且在周期來壓發生過程中，存在強弱交替的礦壓顯現現象，周期來壓持續時間呈短長交替式分布。

圖5 現場液壓支架支護阻力分布圖

4 結論

1）相似模擬試驗結果表明，15109工作面初次來壓步距64m，支架支護阻力4987kN，來壓期間頂板垮落帶發育高度達到23.2m，周期來壓平均步距15m，平均支護阻力4768kN，與初次來壓相比，周期來壓采空區左側跨落角變化不大，右側跨落角有一定程度上地降低。

2）現場實測結果表明，15109工作面初次來壓步距與周期來壓步距均幾乎與相似模擬試驗所得結果吻合，且在周期來壓發生過程中，存在強弱交替的礦壓顯現現象，周期來壓持續時間呈短長交替式分布。