大傾角煤層覆巖破壞規(guī)律相似材料模擬研究

李 勁

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 正令煤業(yè)公司，山西 孝義 032300)

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型尺寸與相似材料配比

由于某礦2317工作面煤層賦存傾角變化較大(20°～ 48°)，并且該工作面采用的是俯偽斜綜采放頂煤采煤法，因此，本次試驗(yàn)選取傾角上限48°來(lái)研究上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本次試驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)為二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的框架規(guī)格為3 m×0.4 m×2 m。

通過分析原型煤層的煤層柱狀圖，選用沙子為骨料，石膏和碳酸鈣作為黏結(jié)材料來(lái)鋪設(shè)模型[1]。然后根據(jù)巖層的抗壓強(qiáng)度選擇配比號(hào)，通過文獻(xiàn)[2]計(jì)算出沙子、石膏和碳酸鈣的用量。

本次試驗(yàn)的覆巖特征及模型材料配比用料見表1和表2。

1.2 模型測(cè)點(diǎn)布置

首先在模型表面沿著煤層的傾向和垂直傾向的方向用墨線打上經(jīng)緯線，網(wǎng)格線的大小為5 cm×5 cm，同時(shí)在部分網(wǎng)格交點(diǎn)處插入大頭針作為位移觀測(cè)點(diǎn)，大頭針的頂部距離模型表面<0.5 cm，然后通過GTS-602A全站儀定期觀測(cè)大頭針的位置變化。本次試驗(yàn)在煤層上方共布設(shè)11條觀測(cè)線，測(cè)線間距為10 cm，第一條測(cè)線距煤層8 cm，每條觀測(cè)線上共布設(shè)14個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)之間的間距為10 cm。

表1 現(xiàn)場(chǎng)條件與模型參數(shù)對(duì)比表(1∶100)

表2模型配比用料及鋪設(shè)層次表

2 開采過程分析

由于采煤方法為俯采，所以模型沿煤層傾斜方向向下開挖，每次推進(jìn)5 cm，相當(dāng)于實(shí)際每次推進(jìn)5 m。根據(jù)時(shí)間相似原則，每天共開挖10 cm，相當(dāng)于實(shí)際開采10 m。模型上端保留了100 cm邊界煤柱，以研究上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律。本次開采由于煤層比較厚，又是綜采放頂煤開采，因此, 在反面加設(shè)護(hù)板，以防止頂板垮落到模型外面，從而影響上覆巖層運(yùn)動(dòng)。模型開挖過程中頂板不同階段垮落情況見圖1。

由圖1可以看出，隨著模型的開采，開挖到20 cm，直接頂僅發(fā)生了輕微的離層。模型開挖到25 cm，隨著巖梁跨距的增加，作為直接頂?shù)姆凵皫r和3下煤開始出現(xiàn)大的離層并隨即垮落。當(dāng)開挖到35 cm，直接頂上方的覆巖繼續(xù)發(fā)生輕微離層。從采空區(qū)冒落巖層來(lái)看，冒落的巖層會(huì)沿著底板向工作面產(chǎn)生滑動(dòng)。開挖到45 cm，直接頂又一次發(fā)生較大范圍的冒落，此外，直接頂上方的覆巖發(fā)生了較大的離層。開挖到50 cm，老頂?shù)谝粠r梁9.35 m的細(xì)粒砂巖初次斷裂，形成老頂初次來(lái)壓，同時(shí)老頂頂部出現(xiàn)離層。開挖到75 cm時(shí)，9.35 m的細(xì)粒砂巖在工作面上方產(chǎn)生斷裂，形成老頂?shù)诙沃芷趤?lái)壓，離層同樣繼續(xù)向上發(fā)展。開挖到115 cm時(shí)，9.35 m的細(xì)粒砂巖在工作面上方產(chǎn)生新的斷裂，形成老頂?shù)谒拇沃芷趤?lái)壓，而老頂?shù)诙⒌谌沃芷趤?lái)壓形成的巖梁則隨著上部空間的加大，成為冒落帶，同時(shí)離層發(fā)展到了距煤層70 cm的位置。開挖到140 cm時(shí)，9.35 m的細(xì)粒砂巖在工作面上方再次產(chǎn)生斷裂，形成老頂?shù)谖宕沃芷趤?lái)壓。而基本頂?shù)谒拇沃芷趤?lái)壓形成的巖梁隨著上部空間的加大，也成為了冒落帶。距煤層70 cm的離層在寬度和高度上繼續(xù)發(fā)展，沿煤層傾向的長(zhǎng)度達(dá)到了50 cm。

a) 20 cm b) 25 cm

c) 35 cm d) 45 cm

e) 50 cm f) 75 cm

g)115 cm h) 140 cm

圖1 模型開挖各階段變化圖

從整個(gè)試驗(yàn)研究得知，直接頂初次垮落步距大約為25 m，周期垮落步距約為10 m。基本頂初次垮落步距約為50 m，周期垮落步距約25 m。

3 采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)演化

相似模擬試驗(yàn)表明，隨工作面推進(jìn)采場(chǎng)覆巖空間結(jié)構(gòu)是不斷演化的，動(dòng)態(tài)液化規(guī)律圖見圖2。

a) 推進(jìn)30 m時(shí)的梁式結(jié)構(gòu)

b) 推進(jìn)50 m時(shí)的多個(gè)結(jié)構(gòu)

c) 推進(jìn)90 m時(shí)的多個(gè)結(jié)構(gòu)

d) 推進(jìn)120 m時(shí)的多個(gè)結(jié)構(gòu)

從相似材料模擬的結(jié)果來(lái)看，從開切眼開始，在工作面的推進(jìn)過程中，大傾角厚煤層覆巖不斷有空間結(jié)構(gòu)形成。在工作面推進(jìn)到30 m時(shí)，直接頂已經(jīng)垮落到采空區(qū)，其上的老頂以兩端固定的嵌固梁形式出現(xiàn)，起到了承擔(dān)上覆巖層的作用。工作面推進(jìn)到50 m時(shí)，直接頂已經(jīng)全部垮落到采空區(qū)，老頂斷裂回轉(zhuǎn)，形成傳遞巖梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)在老頂結(jié)構(gòu)上部形成關(guān)鍵層拱結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面推進(jìn)到90 m時(shí)，開切眼附近的原老頂巖梁轉(zhuǎn)化為直接頂，老頂巖梁向上位巖層發(fā)展。由此可以看出，在當(dāng)前狀態(tài)下存在2個(gè)老頂巖梁結(jié)構(gòu)，一個(gè)位于工作面上方，一個(gè)位于開切眼左上方。同時(shí)從整個(gè)采場(chǎng)來(lái)看，也存在一個(gè)關(guān)鍵層拱結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作面推進(jìn)到120 m時(shí)，覆巖空間多層結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)展，在當(dāng)前狀態(tài)下，存在3個(gè)老頂巖梁結(jié)構(gòu)，一個(gè)位于工作面上方，一個(gè)位于開切眼左上方，一個(gè)位于這兩個(gè)老頂巖梁之間。由于受模型尺寸限制，不能觀察到更多的老頂巖梁結(jié)構(gòu)的形成。但是可以預(yù)知，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，這種多個(gè)老頂結(jié)構(gòu)形式會(huì)持續(xù)發(fā)展下去，最終開切眼左上方的老頂結(jié)構(gòu)以及其下方的老頂結(jié)構(gòu)不再向上發(fā)展，而成為覆巖緩慢下沉的形式，最終與直接頂壓實(shí)。

從覆巖空間結(jié)構(gòu)的演化過程同樣可以得知大傾角厚煤層覆巖的垮落形態(tài)，沿工作面推進(jìn)方向，覆巖垮落形態(tài)示意圖見圖3。

1—垮落帶 2—斷裂帶 3—彎曲下沉帶

4 結(jié) 論

從相似材料模擬的結(jié)果得知:1) 超過一個(gè)老頂來(lái)壓步距,后方的原老頂在其運(yùn)動(dòng)增加的情況下會(huì)變成直接頂，該處的老頂繼續(xù)向上位巖層發(fā)展。2) 在厚煤層大傾角情況下老頂巖梁成“倒階梯狀”沿傾向向上發(fā)展。3) 大傾角煤層傾向長(zhǎng)壁工作面老頂結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯運(yùn)動(dòng)的區(qū)域主要處于傾斜上部，支架上方老頂結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)過程。4) 沿工作面傾斜方向中、上部區(qū)域內(nèi) “三帶”特征明顯，且層位較高；而下部區(qū)域的頂板巖層形成的層位較低或不明顯[3]。5) 工作面推進(jìn)到一定距離后，采場(chǎng)覆巖下沉呈“不對(duì)稱偏態(tài)漏斗型”。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]解盤石,伍永平,王紅偉,等.大傾角煤層長(zhǎng)壁開采覆巖空間活動(dòng)規(guī)律研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(9):1-5.

[2]芭 蕾.海勃灣礦業(yè)公司路天煤礦綜采放頂煤相似材料模擬試驗(yàn)研究[D].包頭:內(nèi)蒙古科技大學(xué),2010.

[3]蒲文龍.大傾角厚煤層開采技術(shù)研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2005.