淺埋深薄基巖下開采覆巖運動與礦壓規律相似模擬研究

劉劍

（鄂爾多斯市能源局，內蒙古 鄂爾多斯 017010）

神東礦區煤層賦存埋藏淺、基巖薄，基巖多為堅硬粉砂巖，基巖上覆為厚松散覆蓋層，厚度在5～80m 不等，煤層頂板巖層的穩定性較差。近年開采表明，煤層開采引起工作面上覆淺埋薄基巖切落形成劇烈的礦山壓力顯現[1]，導致工作面液壓支架壓死、水砂潰入工作面，不利于煤礦的安全生產[2]。本文以李家塔煤礦2-2中煤層首采工作面為背景，用相似模擬實驗的研究手段對淺埋深薄基巖煤層開采覆巖運動及礦壓顯現規律進行研究，探索該礦淺埋薄基巖煤層上覆巖層破斷機理及破斷規律。

一、煤層地質條件分析

（一）工程地質概況

李家塔煤礦2-2中煤層層厚為0～4.78m，平均厚度3.78m。2-2中煤層頂底板巖性為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，層狀巖類中等型。

2-2中煤層首采工作面煤層埋深在60～130m 左右，基巖厚度在15～40 m 左右，上覆松散層厚度在20～80m 左右。工作面煤層頂板直接頂為泥巖，層厚4.37m、老頂為粉砂巖，層厚為22.82m；直接底為砂質泥巖，層厚為5.08m、老底為砂巖，層厚為6.5m。

（二）煤巖物理力學參數

李家塔煤礦2-2中煤層上覆巖層發育較多的水平層理、裂隙和滑面等結構，RQD 平均50～75%，巖石質量中等（III），各巖層組巖石物理力學參數見表1。

表1 2-2 中煤層上覆巖層巖石物理力學參數

二、相似模擬實驗研究

（一）模擬實驗設計

按照1：200 的比例建立模型架進行相似模擬實驗，模型力學參數見表1。模擬工作面從切眼到推進方向500m 范圍的回采過程、覆巖破壞及地表下沉移動規律。模型沿工作面推進方向剖面示意見圖1 所示。

圖1 相似模擬模型沿工作面推進方向剖面示意圖

（二）模擬實驗研究方法

1.模擬支架與動態數據收集系統

相似模擬實驗中采用了液壓支架的模擬模型，模型支架初撐力具有與原型相似的力學特性。為了監測上覆巖層對液壓支架的影響，采用動態載荷智能數據采集系統，由計算機自動采集。

2.覆巖移動測點布置

在實驗模型上覆巖層中布置了兩排位移測點，分別距離煤層頂板24cm、50cm，在采空區正上方布置5 個地表下沉測點。模型設計工作面推進距離是250cm，對應實際推進距離500m。測點的具體布置見圖2。

圖2 模型測點布置示意圖

（三）模擬實驗結果及分析

1.實驗過程及分析

（1）冒落帶

實驗模型右側開切眼，當工作面推進到20m，直接頂冒落。推進到64m 時，老頂初次來壓。推進到88m 時老頂周期來壓。推進到156m 時，老頂逐漸形成鉸接結構，垮落帶的高度為33m 左右。

（2）裂隙帶

實驗模型工作面推進到258m 時，上覆巖層裂隙發育至煤層頂板75m 處。當推進到274m 時，裂隙在垂直方向上貫穿基巖，裂隙帶的高度為80m。推進到360m 時，采空區上方的地表出現明顯下沉現象，由地表向下出現垂向裂隙，發育深度增加約40m，直至砂礫層。隨著工作面繼續推進，地表下沉范圍持續擴大。

2.上覆巖層及地表下沉規律

對實驗模型在上覆巖層中布置的第一排測點的下沉數據分析中可以看出，工作面推進前40m，上覆巖層的下沉量變化不大，推進到60m 時初次來壓，上覆巖層下沉速度急劇增大。推進至300m，在距離開切眼位置60m 到200m 范圍內的采空區上覆巖層下沉量最大，最大可達3500mm，且隨著工作面的推進，最大下沉量不再增加，說明此處巖層已基本達到最大下沉值，同時也說明冒落巖體具有碎脹性，導致覆巖下沉值小于煤層開采厚度。第二排測點的下沉數據分析看出，當推進到180m-200m 時，只有測點8 下沉量最大，接近1800mm。從地表測點下沉數據可以看出，工作面推進的前100m，地表下沉不明顯，隨著工作面推進到1500m 時，地表下沉量達到最大，約為800mm。

3.工作面支護阻力分析

（1）支架初撐力

實驗模型支架初撐力監測數值如表2 所示，大部分模型支架的初撐力都在5800kN 以上，與原型液壓支架實際初撐力分布情況一致。

表2 工作面初撐力分布頻率

（2）支架工作阻力

實驗模型支架工作阻力與工作面推進距離關系如圖10 所示，可知工作面初次來壓前液壓支架的工作阻力變化不明顯，未達到液壓支架的額定工作阻力，同時實驗中沒有觀察到明顯的上覆巖層破壞，說明此時老頂巖層具有一定的自持性，未發生破斷。隨著工作面向前推進，支架工作阻力呈現周期性變化。由實驗模型支架工作阻力分布頻率如表3 可知，在工作面兩次來壓，工作面支架的工作阻力小于其額定工作阻力，此時液壓支架的工作阻力是在初撐力與額定工作阻力之間。當老頂來壓時，支架處于額定工作阻力狀態。

圖10 支架工作阻力與工作面推進距離

表3 工作面支架工作阻力分布頻率

三、結論

本文運用相似模擬的方法，研究了李家塔煤礦2-2中煤層在淺埋深、薄基巖、厚黃土層的條件下，受采動影響厚上覆巖層破斷變形規律，工作面推進過程中上覆巖層裂隙貫通和垮落情況及工作面液壓支架工作阻力變化，通過分析實驗結果，可以得到以下結論：

（1）煤層開采后，其上覆巖層破斷后形態主要表現為垮落帶和裂隙帶，無彎曲下沉帶。垮落帶高度為33m 左右，是工作面采高的6 倍左右，裂隙帶貫通上覆巖層直至地表。

（2）工作面回采過程中，工作面老頂初次來壓步距約為64m，周期來壓步距20m。

（3）工作面未來壓時，工液壓支架的工作阻力小于其額定工作阻力，此時液壓支架的工作阻力是在初撐力與額定工作阻力之間。當老頂來壓時，支架處于額定工作阻力狀態。