煤層開采覆巖運(yùn)動破壞相似材料模擬實驗研究

摘" 要：為探究煤礦煤層開采過程中的覆巖運(yùn)動破壞，以潘二煤礦11111、11113工作面的地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，通過相似材料模擬實驗的方法，建立工作面相似材料模型，將模型中11、13煤層采出；發(fā)現(xiàn)當(dāng)開采推進(jìn)距離未達(dá)到頂板極限跨距時，關(guān)鍵層上方的巖層基本無運(yùn)動，當(dāng)超過頂板極限跨距后，覆巖開始迅速變形垮落，采動結(jié)束后模型未能達(dá)到充分采動，產(chǎn)生的裂隙帶形狀近似拱形，彎曲帶產(chǎn)生法向彎曲，但仍具有整體性；通過觀測線下沉值可知，煤層采動所產(chǎn)生的空間由下向上傳遞時，下沉值及下沉空間逐漸減小。

關(guān)鍵詞：煤層開采；覆巖運(yùn)動；相似材料；模擬實驗；潘二煤礦

中圖分類號：TD325" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0059-04

Abstract： In order to explore the damage caused by overburden strata movement in the process of coal seam mining， based on the geological conditions of working faces 11111 and 11113 in Pan'er Coal Mine， the similar material model of working face is established by the method of similar material simulation experiment. After No.11 and No.13 coal seams in the model are mined， it is found that when the mining advance distance does not reach the roof limit span， the rock strata above the key strata have little movement， and when the roof limit span is exceeded. The overburden began to deform and collapse rapidly， and the model failed to reach full mining after mining. The shape of the fracture zone was approximately arched， and the bending zone produced normal phase bending， but it still had integrity. Through the observation of the subsidence value of the line， it is known that when the space produced by coal seam mining is transferred from the bottomto the top， the subsidence value and subsidence space gradually decrease.

Keywords： coal seam mining; overburden strata movement; similar material; simulation experiment; Pan'er Coal Mine

煤炭作為一種非再生化石能源資源，在我國工業(yè)生產(chǎn)中起到重要作用，中國工程院《國家能源發(fā)展戰(zhàn)略2030—2050》報告中提出，2050年煤礦年產(chǎn)量控制在30億t[1]，可預(yù)測未來幾十年內(nèi)，煤炭作為非再生化石能源資源，對我國工業(yè)生產(chǎn)仍具有重要作用。“十一五”以來，大型現(xiàn)代化煤礦已經(jīng)成為全國煤炭生產(chǎn)的主體，利用相似材料模型對潘二煤礦煤層開采進(jìn)行模擬研究[2]，可以很好地觀測采掘過程中工作面上覆巖層“三帶”的演化規(guī)律與發(fā)育特征，對于指導(dǎo)煤礦進(jìn)行安全生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。

1" 相似材料模擬實驗

1.1" 相似材料模擬基本原理

相似材料模擬是指采用與原型力學(xué)性質(zhì)相似的原料，將其按照一定的幾何比例混合，從而模擬巖體及煤層制作出來的模型。通過對模型進(jìn)行開采，在滿足相似的邊界及初始條件下，使其在相應(yīng)的時期內(nèi)造成相似的礦山壓力現(xiàn)象，再通過觀察與量測分析其規(guī)律[3]。相似材料模型通常需要符合以下相似條件：①幾何相似；②運(yùn)動學(xué)相似；③動力學(xué)相似；④邊界條件相似；⑤初始狀態(tài)相似。

1.2" 相似材料模型的設(shè)計

為了更準(zhǔn)確地反映實際情況，在選擇相似材料時應(yīng)盡量滿足以下條件：①模型與原型相對應(yīng)部分材料的主要物理、力學(xué)性能相似[4]；②力學(xué)性能穩(wěn)定，不輕易因溫度、濕度的變化而變化；③制作成本低，凝固時間短。

綜合考慮工作面實地的地質(zhì)條件與巖層的物理性質(zhì)，最終選擇河沙作為構(gòu)建相似模型的主要填料，選用石灰和石膏作為膠結(jié)物來粘結(jié)填料，具體材料配比及用料見表1。結(jié)合實驗臺的情況，模型相似比例尺設(shè)為1∶100，因煤層深度過大，采用于模型上方附加鐵塊的方法來代替工作面實地的厚松散層，并在模型中加入含水層，再于模型左下角起，在模型4個角順時針方向分別設(shè)置4個控制點(diǎn)，分別為A、B、C、D；其中AB垂直高度1.4 m、AD水平距離3.1 m。11煤層與13煤層設(shè)于模型中央，實際長度為2 m，類比實地200 m，開挖時再于煤層左右各保留50 cm煤柱，完成后的實驗臺如圖1所示。

結(jié)合觀測點(diǎn)布設(shè)原則，本次實驗于模型從上到下布設(shè)4條觀測線來監(jiān)測相似模型覆巖的下沉情況，依次為1、2、3、4號觀測線，1、2號觀測線豎直間距12.5 cm，位于含水層上方，3號觀測線位于含水層下方5 cm，與4號觀測線之間豎直間距為25 cm，4條觀測線均為23個觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)間的水平間距均為12.5 cm，兩側(cè)的觀測點(diǎn)到實驗臺邊界的距離也為12.5 cm[5]48。

1.3" 相似材料模型開挖測量方案

本次實驗采用全站儀來記錄開挖過程中布設(shè)在模型表面觀測點(diǎn)的位移，從而得出在不同階段巖層的位移情況。實驗過程中采用1∶12的時間相似比，將實驗過程分為兩大階段。

第一階段：首先采用全站儀對各個觀測點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行記錄，再從13煤層右側(cè)開切眼處進(jìn)行開采，每2 h開掘10 cm，工作過程中每推進(jìn)50 cm采用全站儀記錄一次觀測點(diǎn)坐標(biāo)，直到推進(jìn)200 cm（等同于實際推進(jìn)200 m）到達(dá)左側(cè)停采線為止。

第二階段：從11煤層右側(cè)開切眼處進(jìn)行開采，每2 h開掘10 cm，工作過程中每推進(jìn)50 cm采用全站儀記錄一次觀測點(diǎn)坐標(biāo)，直到推進(jìn)200 cm（等同于實際推進(jìn)200 m）到達(dá)左側(cè)停采線為止。

兩階段中模型觀測線的下沉曲線如圖2所示，覆巖動態(tài)破壞結(jié)構(gòu)特征分別如圖3和圖4所示。

2" 模擬實驗結(jié)果分析

2.1" 模型內(nèi)部覆巖下沉情況

通過對相似模型表面4條觀測線進(jìn)行觀測，并繪制出下沉曲線，總結(jié)出以下結(jié)論。

1）2號與3號觀測線之間存在一主關(guān)鍵層，4 號觀測線下方存在一亞關(guān)鍵層。

2）當(dāng)11113工作面開采推進(jìn)距離小于100 m時，未達(dá)到頂板極限跨距，垂直位移在主關(guān)鍵層下方巖層內(nèi)部發(fā)育，主關(guān)鍵層上方的巖層基本不發(fā)生運(yùn)動。

3）當(dāng)11113工作面由100 m推進(jìn)至150 m過程中，亞關(guān)鍵層發(fā)生了斷裂，導(dǎo)致3、4 號觀測線下沉位移極速增大。

4）當(dāng)11111工作面采動過程中，4號觀測線的下沉速度變快，曲線上尖銳拐點(diǎn)數(shù)量也隨之增加，說明重復(fù)采動導(dǎo)致主關(guān)鍵層發(fā)生了極大變形，巖體出現(xiàn)了更多的斷裂與裂隙。

5）通過4條觀測線最終下沉曲線的下沉值可推斷出，煤層開采空間由下向上傳遞時，下沉值與下沉空間逐漸減小。

2.2" 模型內(nèi)部覆巖垮落情況

通過對11113工作面推進(jìn)過程中相似模型垮落情況進(jìn)行觀測，可以總結(jié)出以下結(jié)論。

1）工作面推進(jìn)至50 m時，冒落帶已經(jīng)出現(xiàn)，直接頂全部垮落，離層開始出現(xiàn)。下沉穩(wěn)定后測得開采所形成的冒落帶高度約為20 m，是采高的4.1倍，之后直至工作面推進(jìn)至200 m停采線處，冒落帶的高度都未發(fā)生變化；此時開切眼處巖層垮落線與煤層夾角55°，停采線處巖層垮落線與煤層夾角為57°[5]56。

2）當(dāng)11113工作面推進(jìn)至100 m時，裂隙帶開始出現(xiàn)，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙帶的高度也一同增大，工作面推進(jìn)至200 m，下沉穩(wěn)定后測得開采所形成的裂隙帶高度約為35 m，是采高的7.2倍。

通過對11111工作面推進(jìn)過程中相似模型垮落情況進(jìn)行觀測，可以總結(jié)出以下結(jié)論。

1）當(dāng)工作面推進(jìn)至50 m時，直接頂巖層發(fā)生斷裂，冒落帶上方離層開始出現(xiàn)。此時冒落帶高度為23 m，是采高的 6.3倍。工作面推進(jìn)至200 m，開切眼處巖層垮落線與煤層夾角64°，停采線處巖層垮落線與煤層夾角為62°，冒落帶高度為26 m，是采高的7.2倍[5]58。

2）當(dāng)工作面推進(jìn)至100 m時，裂隙帶已經(jīng)發(fā)育到主關(guān)鍵層上方，當(dāng)工作面推進(jìn)至200 m時，測得開采所形成的裂隙帶高度約為38 m，為采高的10.5倍。裂隙帶主要分布于開切眼與停采線上方，發(fā)育裂隙以橫向裂縫為主。

3）工作面開采結(jié)束且下沉穩(wěn)定后，發(fā)現(xiàn)裂隙帶呈現(xiàn)拱形，證明模型未達(dá)到充分采動；彎曲帶雖然因為荷載與自重應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了法向彎曲，但仍然具有整體性與層狀結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁亮.我國煤炭工業(yè)安全科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展[J].煤礦安全，2０１５（Ｓ１）：５－１１.

[2] 朱志潔.大同礦區(qū)堅硬頂板運(yùn)動特征及對綜放工作面礦壓影響研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[3] 張百紅，韓立軍，王延寧，等.深井軟巖巷道錨注支護(hù)結(jié)構(gòu)承載特性[J].采礦與安全工程學(xué)報，2007（2）：160-164.

[4] 張帆，馬耕，陶云奇，劉曉，等.煤巖模型試驗相似材料的配比試驗[J].煤田地質(zhì)與勘探，2018（1）：119-124.

[5] 舒自航.厚松散層開采條件下地表沉陷及覆巖運(yùn)動規(guī)律模擬實驗研究[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

作者簡介：舒自航（1995-），男，碩士，助理工程師。研究方向為測繪工程。