高抽巷合理層位相似模擬的研究*

彭曉群，石　磊，王列平(安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南　232001)

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高抽巷合理層位相似模擬的研究*

彭曉群，石磊，王列平
(安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要:為研究煤層開采對(duì)覆巖的移動(dòng)破壞規(guī)律，獲得覆巖的破壞范圍，從而確定高抽巷的布設(shè)位置，以淮南劉莊礦151305工作面為研究對(duì)象，建立了傾向和走向模型。通過相似模擬的方法在煤層走向及傾向上結(jié)合應(yīng)力場(chǎng)、裂隙場(chǎng)以及瓦斯場(chǎng)，驗(yàn)證對(duì)上覆高瓦斯煤層實(shí)行“煤與瓦斯共采”這一戰(zhàn)略的可行性。通過模擬，得出煤巖體水平變形和豎直位移變化規(guī)律并監(jiān)測(cè)巖體內(nèi)應(yīng)力變化情況，并以此為依據(jù)，確定高抽巷的位置。結(jié)果表明:從回風(fēng)巷開始向采空區(qū)沿走向延伸12 cm并以55°角度向上和在回風(fēng)巷處以114°角度向上的范圍內(nèi)，布置高抽巷時(shí)，既有利于巷道完整性的保持，同時(shí)與裂隙發(fā)育區(qū)溝通的離層裂隙也有利于采空區(qū)瓦斯的抽采。

關(guān)鍵詞:高抽巷;相似模擬實(shí)驗(yàn);采動(dòng)裂隙

0　引言

煤層開采之后，上覆巖層形成的離層縫隙、煤巖體裂隙與綜放采煤面及采空區(qū)相連通，根據(jù)瓦斯移動(dòng)規(guī)律，來自本煤層、鄰近層、采場(chǎng)工作面以及采空區(qū)的瓦斯會(huì)在采空區(qū)斷裂帶中積聚，而利用高抽巷來抽放采空區(qū)瓦斯是被實(shí)踐驗(yàn)證過的解決采空區(qū)瓦斯問題的有效辦法[1－4]，這些瓦斯在高抽巷抽放拉力的作用力下，被及時(shí)抽出，從而有效的防止上隅角的瓦斯積聚隱患，確保了煤礦安全生產(chǎn)。所以確定高抽巷的合理層位，有著重要的理論作用及實(shí)際意義。

通過相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，分析了劉莊礦151305工作面13－1煤的開采對(duì)上覆巖層的影響、煤層下沉規(guī)律以及煤巖體內(nèi)應(yīng)力變化。為確定高抽巷合理層位，從而實(shí)現(xiàn)“煤與瓦斯共采”提供了依據(jù)。

1　模擬實(shí)驗(yàn)原型概況

151305工作面總體形態(tài)為一單斜構(gòu)造，煤層厚度4.30 m～6.30 m(含夾矸)，平均總厚度5.14 m，平均凈煤厚4.76 m;煤層走向60°～70°，走向上起伏較小，傾向150°～160°，傾角7°～12°，平均傾角為10°。該工作面設(shè)計(jì)軌道順槽可采傾斜長(zhǎng)約為1 252m，預(yù)計(jì)軌道順槽13－1煤層開采底板標(biāo)高約為－702 m～－490 m;設(shè)計(jì)膠帶順槽可采傾斜長(zhǎng)約為1 252 m，預(yù)計(jì)膠帶順槽13－1煤層開采底板標(biāo)高約為－693.9 m～－498 m;設(shè)計(jì)工作面切眼長(zhǎng)約為300 m;工作面平均可采平面積約為375 600 m2。1513采區(qū)(西翼)13－1煤層實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力0.3 MPa，實(shí)測(cè)煤層瓦斯含量為Wmax =3.6 739 m3/t，煤的瓦斯放散初速度p =10～11，堅(jiān)固性系數(shù)f =0.72～1.44。

2　模型的設(shè)計(jì)與制作

本次相似材料模擬試驗(yàn)，按照1∶100的比例進(jìn)行制作。考慮制作工藝和材料來源的方便，骨料選用河砂，膠結(jié)料選用石灰和石膏，分層材料選用云母粉。改變骨料和膠結(jié)材料的成分，可以模擬不同類型的巖層。在對(duì)劉莊礦151305工作面地質(zhì)特征和開采技術(shù)條件分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)劉莊礦煤巖柱狀、采厚、回采工藝和開采參數(shù)建立了走向平面模型和傾向平面模型。由于模型尺寸的限制，模型共71分層。因篇幅有限，僅列出16～28分層配比及材料用量，見表1。

模型的設(shè)計(jì)與制作步驟如下:

1)相似參數(shù)的確定。根據(jù)相似理論，經(jīng)過計(jì)算后確定的相似比，見表2。

2)通過全站儀放樣，各確定4個(gè)控制點(diǎn);并設(shè)置3條傾斜觀測(cè)線。走向模型3條觀測(cè)線從下到上依次編號(hào)為1#、2#、3#，傾向模型3條觀測(cè)線從下到上依次編號(hào)為4#、5#、6#。兩模型中的3條觀測(cè)線分別距151305工作面煤層頂板20 cm、60 cm和80 cm。在傾向模型中，3條觀測(cè)線相鄰點(diǎn)間的直線距離為15 cm，計(jì)60個(gè)測(cè)點(diǎn)。在走向模型中，3條觀測(cè)線相鄰點(diǎn)間的直線距離為20 cm，計(jì)60個(gè)測(cè)點(diǎn)。不管是傾向模型還是走向模型各測(cè)線均沿層理布置。

3)為考察開采過程中開采邊界的應(yīng)力變化規(guī)律，在傾向模型的開切眼、收作線以及工作面中部法線方向上距離其20 cm、60 cm、80 cm處各布置2個(gè)應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)。在走向模型的回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷以及工作面中部法線方向上距其20 cm、60 cm、80 cm處各布置1個(gè)應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)應(yīng)力觀測(cè)點(diǎn)。

4)回采程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)傾向模型工作面的傾斜長(zhǎng)度為2 245 mm，上山段留有400 mm的煤柱，下山段留有450 mm的煤柱，見圖1。設(shè)計(jì)走向模型工作面的水平長(zhǎng)度為3 000 mm，左右邊界均留設(shè)500 mm的保護(hù)煤柱，見圖2。為觀測(cè)傾向泄壓規(guī)律，采用一次工作面傾斜全長(zhǎng)開采，從模型的右邊開始，模擬走向長(zhǎng)壁綜采全部垮落法開采。

表1　模型材料用量表Tab.1 Material dosage of model

表2　模型尺寸及相似比Tab.2　Size and similarity ratio of model

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.113－1覆巖裂隙特征及高抽巷布設(shè)位置

從實(shí)驗(yàn)中可以得到，對(duì)于傾向模型，直至開采結(jié)束，冒落帶的高度為21 m左右，為采高4.2倍。在開切眼上山方向的覆巖中，受拉應(yīng)力作用，采動(dòng)裂隙從煤層頂板開始以與層理方向成109°的角度向煤層頂板上方發(fā)展至距煤層頂板大約40 cm處，然后又以與層理方向成49°的角度繼續(xù)向上發(fā)展，此區(qū)域的裂隙多以豎直裂隙為主。在開切眼下山方向的覆巖中穿層裂隙和離層裂隙分布均為明顯且相互溝通，裂隙張開度較大，覆巖基本呈直線形斷裂，裂隙發(fā)育高度較大，裂隙帶高度大約為80 m，為采高的16倍，裂隙最大傳遞角為49°。在停采線處的覆巖中向上發(fā)展的相互連通的離層裂隙和穿層裂隙滯后于停采線大約60 cm，以與層理成約為47°裂隙最大傳遞角向上發(fā)展;采動(dòng)裂隙從煤層頂板開始以與層理方向成102°的角度向上發(fā)展至距煤層頂板大約105 cm，此區(qū)域的裂隙多為離層裂隙，幾乎未與穿層裂隙溝通，見圖1。

圖1　傾向模型Fig.1 Dip model

對(duì)于走向模型，當(dāng)采煤至運(yùn)輸巷時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶最大發(fā)育高度沒有變化。在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷之間從煤層頂板往上26.1 cm范圍內(nèi)巖層破壞劇烈，在此范圍內(nèi)布置高抽巷時(shí)，巷道極易破壞而且瓦斯抽采效果難以保證，因此，不建議在此高度范圍內(nèi)布置高抽巷。從回風(fēng)巷開始向采空區(qū)沿走向延伸12 cm并以55°角度向上和在回風(fēng)巷處以114°角度向上的范圍內(nèi)，覆巖中主要以離層裂隙為主，雖出現(xiàn)了少量穿層裂隙，但皆未與離層裂隙溝通。而且，這一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的離層裂隙卻都與采空區(qū)上方裂隙發(fā)育區(qū)溝通。因此，在此范圍內(nèi)布置高抽巷時(shí)，即有利于巷道完整性的保持，同時(shí)與裂隙發(fā)育區(qū)溝通的離層裂隙也有利于采空區(qū)瓦斯的抽采，見圖2。

3.2應(yīng)變力分布規(guī)律

對(duì)于傾向模型，在開切眼處，煤柱上方的巖層總是處于壓縮狀態(tài)，而且隨著工作面的回采，壓縮應(yīng)變逐漸增大。在采空區(qū)中部上方覆巖中，采動(dòng)開始作用時(shí)間和卸載開始時(shí)間皆隨距煤層頂板越遠(yuǎn)，采動(dòng)向上影響越慢。在停采線處，隨回采工作面推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)巖層壓縮應(yīng)變一直在增大，直至開采結(jié)束為最大。從不同位置應(yīng)力監(jiān)測(cè)可知距煤層頂板越遠(yuǎn)，采動(dòng)影響越小，見圖3。

圖2　走向模型Fig.2　Strike model

圖3　傾向模型應(yīng)變力Fig.3　Stress of dip model

對(duì)于走向模型，回風(fēng)巷附近上方的巖層總是處于壓縮狀態(tài)，而且隨著采煤機(jī)割煤前移，壓縮應(yīng)變逐漸增大。至監(jiān)測(cè)結(jié)束測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本穩(wěn)定。從工作面中部上方的的3處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在采煤機(jī)割煤約1 000 min～1 500 min時(shí)覆巖破壞，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變突然減小，再慢慢上升。這是由于隨著采煤的進(jìn)行，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)突然垮落，而后上覆巖層再對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)。在運(yùn)輸巷附近，其上方不同層位的巖層其應(yīng)變隨采煤機(jī)割煤測(cè)點(diǎn)應(yīng)變幾乎都在增大，且變化趨勢(shì)基本一致，見圖4。

圖4　走向模型應(yīng)變力Fig.4　Stress of strike model

3.313－1煤巖體水平變形及下沉規(guī)律

1#、2#、3#、4#、5#、6#測(cè)線最終下沉曲線比較，如圖5所示。1#－2#、2#－3#差異下沉曲線，如圖6所示。由于觀測(cè)過程中模型的垮落問題，4#觀測(cè)線中的14、15號(hào)點(diǎn)以及6#觀測(cè)線中的9、10號(hào)點(diǎn)均丟失，無法進(jìn)行差異下沉和水平變形的計(jì)算，在此僅給出1#、2#、3#測(cè)線水平移動(dòng)(見圖7)和差異下沉曲線。

圖5　1#、2#、3#、4#、5#、6#線最終下沉曲線Fig.5　Final subsidence curves of observatior lines No.1,2,3,4,5 and 6

圖61　#-2#、2#-3#線差異下沉曲線Fig.6　Difference subisidence curves both 1#-2# and 2#-3#

圖71　#、2#、3#觀測(cè)線最終水平變形曲線Fig.7　Final horizontal deformation curves of observation line No.1,2 and 3

從圖5可知，1#、2#、3#線的下沉曲線總體呈現(xiàn)碗型，且形狀相似，1#線15號(hào)點(diǎn)下沉值最大，為65.49 mm。只是離開采工作面的距離越遠(yuǎn)，其總體下沉幅度越小。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)均分布在上覆巖層上，被監(jiān)測(cè)煤巖體均呈現(xiàn)出膨脹變形的狀態(tài)。4#觀測(cè)線總體呈現(xiàn)碗型，9號(hào)點(diǎn)為最大下沉點(diǎn)，下沉值為65.49 mm。5#觀測(cè)線下沉曲線呈現(xiàn)V狀，9號(hào)點(diǎn)為最大下沉點(diǎn)，下沉值為50.91 mm。

從圖6可知，1#、2#線的下沉曲線呈現(xiàn)系統(tǒng)的差異性質(zhì)，說明1#、2#號(hào)線之間產(chǎn)生了拉伸變形，最大拉伸量為56.35 mm。2#、3#號(hào)線產(chǎn)生了相對(duì)較小的拉伸變形，最大變形量為23.65 mm。故判斷斷裂帶頂部位于3#線之上。

由7圖可知，1#線在采空區(qū)邊緣產(chǎn)生了壓縮變形，最大壓縮值為0.80 mm/cm，在采空區(qū)中央產(chǎn)生了拉伸變形，最大拉伸值為0.25 mm/cm; 2#線在采空區(qū)邊緣為小于0.017 mm/cm的壓縮變形，采空區(qū)中央為小于0.012 mm/cm的拉伸變形; 3#線在采空區(qū)邊緣產(chǎn)生了小于0.018 mm/cm的拉伸變形，采空區(qū)中央產(chǎn)生了最大值為0.099 mm/cm左右的壓縮變形。

4　結(jié)論

根據(jù)此次相似模擬實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論:

1)得知被保護(hù)層在保護(hù)層法向影響范圍內(nèi)的泄壓效果。確定高抽巷可布置在從回風(fēng)巷開始向采空區(qū)沿走向延伸12 cm并以55°角度向上和在回風(fēng)巷處以114°角度向上的區(qū)域內(nèi)。

2)比較20 cm、60 cm、80 cm處頂板應(yīng)變力隨時(shí)間變化關(guān)系可以看出，隨測(cè)點(diǎn)距離煤層頂板越遠(yuǎn)應(yīng)變?cè)龇缴?，且?yīng)變起增點(diǎn)時(shí)間越靠后，說明覆巖變形破壞從下而上具有明顯的滯后性，進(jìn)而說明了巖層變形破壞是按分層進(jìn)行的。

3)1#線在采空區(qū)邊緣產(chǎn)生了壓縮變形，最大壓縮值為0.80 mm/cm;在采空區(qū)中央產(chǎn)生了拉伸變形，最大拉伸值為0.25 mm/cm。1#、2#線的下沉曲線呈現(xiàn)系統(tǒng)的差異性質(zhì)，說明1#、2#線之間產(chǎn)生了拉伸變形，最大拉伸距離為56.35 mm。2#、3#號(hào)線產(chǎn)生了相對(duì)較小的拉伸變形，最大變形量為23.65 mm。故判斷斷裂帶頂部位于3#線之上。1#、4#線最大下沉值均在66 mm附近; 2#、5#線最大下沉值均在50 mm附近。符合理想情況下，走向和傾向綜合下沉規(guī)律。

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Study on Similar Simulation Experiment of Reasonable Horizon of High Pumping Lane

PENG Xiao-qun，SHI lei，WANG Lie-ping
(School of Surveying and Mapping，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)

Abstract:The purpose of this paper is to study the movement and destruction law of coal mining for the overlying strata，and obtain its damage range so as to detemine the location of the high pumping lane.By taking No.151305 mining face in Liuzhuang Coal Mine of Huainan as a research object，the strike and dip models of the face were estiblished.It verified the feasibility of simultaneous extraction of coal and gas by the method of similar simulation combined with stress field，fissure field and gas field in the strike and dip.Through simulation，it determined the location of high pumping lane on the basic of the coal rock horizontal deformation and vertical displacement law，and the change of rock stress.The results showed that it is in favor of keeping the integrity of the high pumping lane and the layer cranny that communicated with fractured zone is also conducive to drainage gas in goaf if arranged the high pumping lane in the area from the return air lane began to goaf along the strike extension of 12 cm and with an angle of 55 degrees up to return airway of between an angle of 114 degrees upward.

Key words:high pumping lane; similar simulation test; mining induced fissure

作者簡(jiǎn)介:彭曉群(1991～)，女，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究方向:變形監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理、土地復(fù)墾。

*收稿日期:2015－03－12

文章編號(hào):1007－9394(2015)02－0015－04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):TD 823.82