綜采工作面上覆巖層位移特征相似模擬

徐小奔，胡祖祥，邢立奮，郝學(xué)

(1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232001；3.山西平遙縣興盛煤化有限責(zé)任公司， 山西 平遙 031100)

0 引言

隨著綜采工作面的不斷推進(jìn)，頂板懸露面積越來(lái)越大，上覆巖層產(chǎn)生彎曲變形[1-4]，當(dāng)彎曲變形超過(guò)一定程度時(shí)，上覆巖層發(fā)生位移甚至坍塌[5-6]。為了保證礦井安全生產(chǎn)，有必要對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層位移特征進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[7]通過(guò)物理相似模擬得出了頂板巖層及黏土隔水層在開(kāi)采影響下的位移、裂隙發(fā)展和開(kāi)采范圍的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]采用相似材料模擬的方法，研究了特厚煤層分層開(kāi)采條件下斷層受到的影響和覆巖移動(dòng)發(fā)育規(guī)律。文獻(xiàn)[9-10]對(duì)不同地質(zhì)條件下來(lái)壓規(guī)律和覆巖位移過(guò)程進(jìn)行了研究，得出了煤層開(kāi)采時(shí)上覆巖層的來(lái)壓規(guī)律和“三帶”位移分布。文獻(xiàn)[11]采用相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，研究了大傾角煤層變角度綜放工作面開(kāi)采覆巖運(yùn)移規(guī)律。文獻(xiàn)[12-14]采用理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)等方法，研究了工作面尺寸、煤層傾角和開(kāi)采厚度對(duì)覆巖位移的影響。本文以淮南謝橋礦1232(1)綜采工作面為背景，利用相似模擬方法研究了煤層開(kāi)采時(shí)工作面上覆巖層位移過(guò)程及特征，可為該煤層巷道支護(hù)提供參考依據(jù)。

1 工作面概況

淮南謝橋礦1232(1)綜采工作面位于西翼C組采區(qū)11-2煤層西翼三階段，地面標(biāo)高+20.5～+29.5 m，工作面標(biāo)高-540.6～-604.3 m，工作面傾斜長(zhǎng)約154 m。煤層平均傾角為13°，密度為14 kg/m3，平均厚度為2.49 m。該工作面煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.32 m，呈灰色或深灰色；上覆承重巖層為較硬的細(xì)砂巖，平均厚度為6.24 m，呈灰色或淺灰色，泥質(zhì)膠結(jié)；煤層底板為泥巖，平均厚度為2.35 m。

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 相似常數(shù)及材料配比

根據(jù)謝橋礦煤層賦存情況，采用細(xì)砂、石膏、石灰作為相似材料的主要成分，通過(guò)不同配比來(lái)模擬堅(jiān)硬、較硬和軟弱巖層。根據(jù)式(1)計(jì)算各模擬巖層材料質(zhì)量，相似材料配比見(jiàn)表1。

G=Lbhγp

(1)

式中：G為模擬巖層材料質(zhì)量；L為模擬巖層長(zhǎng)度；b為模擬巖層寬度；h為模擬巖層厚度。

2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

以謝橋礦地層資料為參考，厚度0.5 m及以上的巖層采用分層模擬，厚度小于0.5 m的巖層與鄰近巖層合并綜合模擬，按照巖層分層鋪設(shè)相似材料，得到相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1所示。模型尺寸為420 cm×200 cm×25 cm(長(zhǎng)×高×寬)，模型架四周和后面采用鋼板封閉并固定，模型架前面采用20 mm厚透明有機(jī)玻璃。為觀(guān)察在煤層開(kāi)采過(guò)程中覆巖移動(dòng)變形規(guī)律，在模型表面布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

表1 相似材料配比

圖1 相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

模型制作后干燥7 d左右，拆去模型前后擋板，后面留設(shè)2根保護(hù)槽鋼，標(biāo)注煤層及巖層位置和相應(yīng)標(biāo)高，并測(cè)定模型中巖層含水率，待巖層含水率與材料配比實(shí)驗(yàn)的含水率相同時(shí)進(jìn)行開(kāi)采，距邊界110 m處掘進(jìn)開(kāi)切眼，留有0.5 m厚的頂煤，隨后按4 m/h的速度向前推進(jìn)。利用全站儀對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)原始坐標(biāo)和開(kāi)采過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼50 m時(shí)，直接頂出現(xiàn)初次來(lái)壓，上覆巖層裂隙分布特征和垂直位移分別如圖3、圖4所示。從圖3可看出，上覆巖層斷裂并向下方采空區(qū)垮落，垮落帶高度為10.5 m，垮落角為68°，垮落的巖層呈層狀結(jié)構(gòu)，無(wú)規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)，垮落巖層與上方巖層出現(xiàn)較大空隙，垮落巖石破碎充分，連通率較高，無(wú)斷裂帶出現(xiàn)。從圖4可看出，開(kāi)切眼后方40 m至工作面煤壁前方30 m范圍內(nèi)上覆巖層受采動(dòng)影響；在開(kāi)切眼后方和煤壁前方上覆巖層均表現(xiàn)為向上的垂直位移，這是由兩端巖層向中間擠壓造成的；采空區(qū)上覆巖層表現(xiàn)為向下的垂直位移，并在距開(kāi)切眼前方水平距離20 m處垂直位移最大；隨著距煤層距離的增大，上覆巖層垂直位移逐漸減小，在距煤層11.54 m時(shí)，上覆巖層垂直位移峰值為0.07 m。

圖3 工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼50 m時(shí)上覆巖層裂隙分布特征

圖4 工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼50 m時(shí)上覆巖層垂直位移

工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼100 m時(shí)，上覆巖層出現(xiàn)第5次周期來(lái)壓，平均推進(jìn)10～15 m周期來(lái)壓1次，上覆巖層裂隙分布特征和垂直位移分別如圖5、圖6所示。從圖5可看出，垮落帶高度為13.45 m，垮落角為65°，導(dǎo)水裂隙帶高度(即垮落帶和斷裂段高度之和)為37 m，垮落帶和斷裂帶出現(xiàn)斷層；垮落帶巖石破碎較為充分，連通率較高；斷裂帶巖層出現(xiàn)少量向上發(fā)育的豎向破斷裂隙和向兩端發(fā)育的離層裂隙，裂隙向四周延伸，未能全部貫通。從圖6可看出，開(kāi)切眼后方40 m至工作面煤壁前方20 m范圍內(nèi)上覆巖層受采動(dòng)影響；距開(kāi)切眼前方水平距離40 m處上覆巖層垂直位移最大，向兩端逐漸減小，垂直位移曲線(xiàn)基本上呈對(duì)稱(chēng)分布；隨著距煤層距離的不斷增大，上覆巖層垂直位移不斷減小，在距煤層11.54 m時(shí)，上覆巖層垂直位移峰值達(dá)2.1 m。

圖5 工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼100 m時(shí)上覆巖層裂隙分布特征

圖6 工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼100 m時(shí)上覆巖層垂直位移

工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼160 m時(shí)，上覆巖層裂隙分布特征和垂直位移分別如圖7、圖8所示。從圖7可看出，垮落帶高度為17.5 m，垮落角為68°，斷裂帶高度為31.78 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為49.28 m；煤層開(kāi)采波及到上方13煤層，原有上覆巖層結(jié)構(gòu)全部失穩(wěn)。從圖8可看出，開(kāi)切眼后方40 m至工作面煤壁前方40 m范圍內(nèi)上覆巖層受采動(dòng)影響；距開(kāi)切眼前方水平距離80 m處巖層垂直位移最大，向兩端逐漸減小，垂直位移曲線(xiàn)基本上呈對(duì)稱(chēng)分布；隨著距煤層距離的不斷增大，上覆巖層垂直位移不斷減小，在距煤層11.54 m時(shí)，上覆巖層垂直位移峰值達(dá)2.35 m。

圖7 工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼160 m時(shí)上覆巖層裂隙分布特征

圖8 工作面推進(jìn)至距開(kāi)切眼160 m時(shí)上覆巖層垂直位移

4 結(jié)論

(1) 隨著綜采工作面不斷推進(jìn)，垮落角基本保持不變，垮落帶和斷裂帶高度逐漸增大，上覆巖層受采動(dòng)影響不斷增大。

(2) 上覆巖層垂直位移峰值基本位于采空區(qū)中部，向兩端逐漸減小，垂直位移曲線(xiàn)基本上呈對(duì)稱(chēng)分布；隨著綜采工作面推進(jìn)距離增大，垂直位移峰值不斷增大；隨著距煤層距離的增大，上覆巖層垂直位移不斷減小。