大采高工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律相似模擬研究

邱玉銘

(山西潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600)

隨著采煤技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，針對(duì)厚煤層開采的礦壓顯現(xiàn)特征及其圍巖控制技術(shù)的研究受到廣泛重視，但是由于受到地質(zhì)條件、開采技術(shù)水平等的影響，不同礦區(qū)的厚煤層大采高采場(chǎng)圍巖應(yīng)力及覆巖移動(dòng)表現(xiàn)出了不同的特征[1-4]。本文以左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司1102大采高工作面為背景，通過相似模擬試驗(yàn)研究其回采過程中覆巖移動(dòng)規(guī)律、頂板結(jié)構(gòu)及超前支承壓力分布特征，為礦井頂板管理提供科學(xué)的依據(jù)，為礦區(qū)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司位于山西省晉中市左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，井田面積5.819 6 km2，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量5.48 m3/min，屬于煤與瓦斯突出礦井。井田可采煤層為15號(hào)煤層，平均厚度6 m。1102綜采工作面布置在15號(hào)煤層中，工作面傾向長(zhǎng)度137.3 m，走向長(zhǎng)度為510 m，平均傾角9°，工作面采用大采高一次采全高回采工藝。1102工作面直接頂為泥巖，平均厚度8.0 m，基本頂為灰白色石灰?guī)r，平均厚度7.0 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為1.4 m。

2 相似模型的建立

2.1 模型建立

為了直觀地了解工作面回采期間覆巖移動(dòng)規(guī)律，決定采用相似模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)合1102工作面實(shí)際情況，建立頂板結(jié)構(gòu)模型，模型幾何相似比為1∶100。容重相似比為1.5;應(yīng)力、彈模、粘結(jié)力相似比為150;時(shí)間相似比常數(shù)為10;重力加速度相似比為1;位移相似比為1 000。相似模型見圖1。為詳細(xì)觀測(cè)采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)及破壞情況，在模型剖面及層面位置布設(shè)位移傳感器。模型設(shè)置從切眼處向前推進(jìn)，每次推進(jìn)4 cm，相當(dāng)于實(shí)際推進(jìn)4 m。

圖1 相似模型

2.2 監(jiān)測(cè)方案

模型提前開挖兩條大巷，模型最左邊0.5 m作為工作面開切眼，然后由左向右進(jìn)行開挖，每次回采0.1 m，開挖高度為0.06 m，直到開挖至距離巷道0.3 m結(jié)束。每開挖一定距離后，利用Nikon DTM-531E型全站儀對(duì)工作面覆巖位移觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)記錄覆巖移動(dòng)情況。每開挖一定距離，利用圖像素描法和數(shù)碼相機(jī)照相法記錄各來壓期間覆巖結(jié)構(gòu)。

3 覆巖移動(dòng)規(guī)律及支承壓力分布特征

3.1 初次來壓期間覆巖移動(dòng)特征

圖2為1102工作面初次來壓期間覆巖移動(dòng)情況。隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板懸頂面積增大，逐漸發(fā)生彎曲變形，直至冒落。當(dāng)工作面推進(jìn)到24 m時(shí)，直接頂開始冒落；當(dāng)工作面推進(jìn)到32 m時(shí)，直接頂冒落厚度為5 m；隨著工作面推進(jìn)，直接頂冒落高度不斷向上增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到48 m時(shí)，直接頂冒落高度為7.5 m；當(dāng)工作面推進(jìn)到56 m時(shí)，直接頂繼續(xù)冒落，高度為10 m，基本頂出現(xiàn)裂隙，并不斷擴(kuò)張，隨著工作面推進(jìn)，基本頂參數(shù)離層，當(dāng)工作面推進(jìn)到68 m時(shí)，基本頂出現(xiàn)大面積冒落，冒落高度一度達(dá)到24 m，工作面表現(xiàn)為初次來壓，之后頂板形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)。

圖2 初次來壓期間覆巖移動(dòng)情況

3.2 周期來壓期間覆巖移動(dòng)特征

隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，發(fā)生周期性來壓現(xiàn)象，覆巖移動(dòng)情況如圖3所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到86 m時(shí)，工作面產(chǎn)生第一次周期來壓，見圖3(a)，頂板垮落高度為39 m，基本頂產(chǎn)生4 m的離層，破斷角為64°，覆巖結(jié)構(gòu)明顯，頂板形成明顯的“斜臺(tái)階”結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面推進(jìn)到108 m時(shí)，工作面產(chǎn)生第二次周期來壓，見圖3(b)，頂板垮落高度為62 m，破斷角為66°，頂板“斜臺(tái)階”結(jié)構(gòu)明顯。當(dāng)工作面推進(jìn)到122 m時(shí)，工作面產(chǎn)生第三次周期來壓，見圖3(c)，頂板垮落高度為62 m，破斷角為54°，頂板仍然為“斜臺(tái)階”結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面推進(jìn)到144 m時(shí)，工作面產(chǎn)生第四次周期來壓，見圖3(d)，頂板垮落高度為64 m，地表發(fā)生彎曲下沉，覆巖充分采動(dòng)，形成明顯的三帶結(jié)構(gòu)。

圖3 周期來壓期間覆巖移動(dòng)情況

3.3 工作面支承壓力特征

1102工作面來壓期間超前支承壓力分布特征如圖4所示，5次來壓期間，工作面前方支承壓力影響范圍為75～90 m，來壓期間支承壓力峰值集中在7.8～10.5 MPa,其中第五次周期來壓即充分采動(dòng)期間，支承壓力峰值最大，達(dá)到了10.5 MPa。

圖4 來壓期間超前支承壓力分布特征

表1為1101工作面回采過程中來壓期間覆巖移動(dòng)及應(yīng)力分布特征。

表1 來壓期間覆巖移動(dòng)及應(yīng)力分布特征

隨著工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，頂板垮落高度維持在60～65 m，峰值距離工作面煤壁為20 m左右，工作面超前支承壓力峰值距煤壁距離較遠(yuǎn)。在工作面回采過程中超前應(yīng)力影響范圍內(nèi)可能發(fā)生片幫、漏頂?shù)痊F(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)超前支承壓力影響范圍內(nèi)的巷道及人員管控。

4 結(jié) 語

1) 根據(jù)相似模擬結(jié)果，1102工作面初次來壓步距為68 m，平均周期來壓步距為19 m。工作面來壓期間頂板垮落高度維持在60～65 m，經(jīng)歷4次來壓后工作面實(shí)現(xiàn)充分采動(dòng)。

2) 在工作面來壓期間，頂板覆巖呈現(xiàn)出明顯的“斜臺(tái)階”結(jié)構(gòu)。

3) 1102工作面前方支承壓力影響范圍為75～90 m，來壓期間支承壓力峰值集中在7.8～10.5 MPa,工作面實(shí)現(xiàn)充分采動(dòng)時(shí)支承壓力峰值最大，達(dá)到了10.5 MPa。

4) 工作面來壓期間支承壓力峰值距離工作面煤壁約為20 m，距煤壁距離較遠(yuǎn)，回采期間應(yīng)加強(qiáng)支承壓力影響范圍現(xiàn)場(chǎng)管理。