基于相似模擬下的塔山礦特厚煤層綜放開采上覆巖層破壞特征

王少卿

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同大科技研究院山西大同037003）

0 引言

我國厚煤層儲量及產(chǎn)量在全國煤炭儲量及產(chǎn)量中占比40%～46%，伴隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤炭開采技術(shù)的成熟，以及裝備制造水平的提高，厚煤層綜放開采的理論與技術(shù)得到了長足的發(fā)展[1]。近些年，煤炭資源逐漸枯竭，埋藏較淺、開采地質(zhì)條件較好的資源已開發(fā)殆盡，大多數(shù)礦井均已陸續(xù)轉(zhuǎn)向深部開采。我國山西、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅等普遍存在厚度超過8 m的特厚煤層，在特厚煤層開采中，會遇到回采巷道變形大、壓架死架等強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此特厚煤層的開采技術(shù)及研究顯得極其重要，對厚及特厚煤層（8 m～14 m）的大采高綜放開采的理論是實踐中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[2]。本文針對塔山礦8216工作面上覆特厚煤層開采強擾動作用，利用相似模擬實驗獲得特厚煤層上覆巖層應(yīng)力以及運移規(guī)律，為大同礦區(qū)特厚煤層的安全開采提供參考。

1 工程概況

塔山煤礦是大同煤礦集團(tuán)所建的一座大型礦井，該礦主采煤層為石炭二疊系3#～5#煤層，煤層平均厚度15.72 m。其8216工作面位于二盤區(qū)中部。工作面長度230.5 m，平均走向長度1 902 m，可采走向長度1 661 m。采用單一走向長壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采的采煤方法，SL500型采煤機(jī)落煤裝煤、PF6/1142型前部刮板運輸機(jī)和PF6/1342型后部刮板運輸機(jī)運煤、ZF15000/27.5/42型低位放頂煤支架進(jìn)行支護(hù)，采高為3.7 m，放煤高度9.44 m，采放比為1:2.55。采用一刀一放的放煤方式，放煤步距為0.8 m，煤層頂、底板圍巖力學(xué)參數(shù)見下表1。

表1 8216工作面煤層頂、底板圍巖力學(xué)參數(shù)表

2 相似模擬實驗設(shè)計

物理相似模擬可以直接反映覆巖破斷、應(yīng)力分布、位移變化特征。因此采用物理相似模擬的研究方法，對堅硬頂板特厚煤層開采后遠(yuǎn)近場巖層破斷特征及其礦壓作用進(jìn)行分析，可以得出堅硬巖層對覆巖結(jié)構(gòu)跨斷特征的影響規(guī)律。

2.1 相似模擬材料備制以及模型參數(shù)的設(shè)計

為了保證相似試驗的可靠性，首先應(yīng)進(jìn)行材料的配比試驗。本實驗選取的相似材料為砂子、滑石粉、石膏粉、水等。模擬試驗料采用砂子為制作相似模型的骨料，以滑石粉和石膏作為膠結(jié)料。將原型中各巖層的單軸抗壓強度代入強度相似常數(shù)計算公式，可以得到模型材料單軸抗壓強度，參考巖石力學(xué)實驗?zāi)M技術(shù)[3]，確定相似材料的配比號,并計算出每組配比號進(jìn)行配比時的各組分材料用量。

2.2 相似模擬實驗監(jiān)測方案確定

為監(jiān)測覆巖不同層位的關(guān)鍵層破斷對煤層支承應(yīng)力分布特征的影響，在煤層中沿工作面開采方向間隔30 cm布置電阻應(yīng)變儀進(jìn)行監(jiān)測。在上覆巖層共布置3組應(yīng)力盒，分別布置在距離煤層5.8 cm、43.3 cm、84.1 cm位置；應(yīng)力盒間距43 cm，每組各布置5個應(yīng)力盒，共布置15個，采用TS3890型靜態(tài)應(yīng)變測量處理儀對應(yīng)力進(jìn)行采集和記錄，監(jiān)測方案如圖1所示。采用數(shù)字圖像定點捕捉分析的方法對覆巖位移進(jìn)行全程實時監(jiān)測，如圖2所示。用攝像機(jī)對煤層開采的運動變化情況進(jìn)行實時捕捉，通過后處理軟件得到位移變化規(guī)律，從而反演得到模型覆巖的位移變化特征。

圖1 覆巖應(yīng)力監(jiān)測方案

圖2 覆巖位移監(jiān)測方案

3 采場應(yīng)力及位移演化規(guī)律

3.1 覆巖運動特征

相似模擬實驗?zāi)Ｐ偷拈_挖速度根據(jù)原型中工作面推進(jìn)速度按照相似比尺模擬進(jìn)行，原型中工作面推進(jìn)速度平均為2.4 m/d，由此可知模型中煤層開挖速度為10 cm/h（每30 min推進(jìn)5 cm）。模型兩邊各留30 m的邊界煤柱，按照垮落次序進(jìn)行簡述。如下圖3～圖9，其依次覆巖結(jié)構(gòu)特征如表2所示：

圖3 直接頂首次出現(xiàn)離層（開挖82.5m）

圖4 老頂首次出現(xiàn)離層 （開挖172.5m）

圖5 直接頂初次垮塌（開挖195m）

圖6 老頂首次出現(xiàn)離層（開挖202m）

圖7 懸臂梁破斷（開挖240m）

圖8 老頂二次垮塌（開挖270m）

圖9 亞關(guān)鍵層第一次垮塌（開挖292.5m）

表2 特厚煤層開采過程中巖層移動特征

3.2 工作面隨推進(jìn)距離應(yīng)力變化規(guī)律

自工作面推進(jìn)方向?qū)﹃P(guān)鍵層中的應(yīng)力盒編號1～5，得到不同垮塌次序時應(yīng)力變化圖，根據(jù)應(yīng)力盒埋藏深度和高度，可以根據(jù)相似比計算出各個應(yīng)力盒對應(yīng)工作面的橫向坐標(biāo)，分別為：75 m、140 m、205 m、270 m、335 m。隨著特厚煤層的開采，工作面前面應(yīng)力變化規(guī)律如圖10所示，可以看出工作面前方應(yīng)力隨著煤層開挖距離增大而逐漸增大。在直接頂破斷前，工作面前方應(yīng)力變化較為緩慢，直接頂破斷后增長迅速，應(yīng)力最大值為13.648 MPa。

圖10 工作面前方應(yīng)力變化圖

3.3 關(guān)鍵層應(yīng)力與位移變化規(guī)律

由于試驗過程中觀測的是垂直方向應(yīng)力，由圖11可以看到，在開挖初期和距離開挖面較遠(yuǎn)的位置，應(yīng)力基本保持原巖應(yīng)力，隨著開挖的進(jìn)行，可以看到關(guān)鍵層上垂直方向的應(yīng)力逐漸釋放，同時也預(yù)示著，關(guān)鍵層上的第一主應(yīng)力逐漸由垂直方向轉(zhuǎn)化為水平方向。圖12由于在開挖過程中關(guān)鍵層發(fā)生下沉變化，最大下沉量達(dá)5.73 m，最大位移發(fā)生時，亞關(guān)鍵層部分垮落并伴隨著破斷關(guān)鍵層咬合，整個平面形成受均布載荷拱形橋結(jié)構(gòu)，最大位移發(fā)生在了梁中部約175 m處。

圖11 關(guān)鍵層應(yīng)力變化圖

圖12 關(guān)鍵層下沉曲線圖

4 結(jié)論

（1）覆巖運動特征：隨著特厚煤層的開采，采空區(qū)范圍增大，采空區(qū)頂板下沉增大，最大位移發(fā)生在采空區(qū)頂板中部。開挖距離較短時，關(guān)鍵層下沉量較小，工作面開挖195 m時，直接頂發(fā)生斷裂，關(guān)鍵層出現(xiàn)微小裂隙，下沉約0.545 8 m但未發(fā)生斷裂；工作面開挖270 m，老頂塌陷帶動下位直接頂同步垮落，亞關(guān)鍵層暴露，關(guān)鍵層出現(xiàn)離層，下沉量約1.124 5 m；工作面開挖292.5 m，關(guān)鍵層破斷，破斷塊體相互咬合，下沉量達(dá)到最大值為5.73 m。

（2）工作面前方應(yīng)力變化：隨著特厚煤層的開采，工作面前方應(yīng)力一直呈現(xiàn)增長趨勢，最大值約13.648 MPa，煤層開采前期直接頂尚未斷裂前，工作面前方應(yīng)力增長較緩，直接頂斷裂后，亞關(guān)鍵層部分垮落前急劇增大，最后幾乎不變。

（3）關(guān)鍵層應(yīng)力與位移變化：可以看到關(guān)鍵層上垂直方向的應(yīng)力逐漸釋放，關(guān)鍵層上的第一主應(yīng)力逐漸由垂直方向轉(zhuǎn)化為水平方向。關(guān)鍵層出現(xiàn)裂隙時，直接頂垮塌，后續(xù)隨著工作面推進(jìn)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵層裂隙持續(xù)發(fā)育形成離層，亞關(guān)鍵層部分垮落；關(guān)鍵層咬合發(fā)生最大下沉量5.73 m時，多個懸臂梁破斷。