薄基巖特厚煤層綜放開采相似模擬試驗(yàn)研究

夏青森，劉 飛，龔 鵬，鄧瑞剛，吳 杰，姚 建

(1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

薄基巖特厚煤層綜放開采相似模擬試驗(yàn)研究

夏青森1，劉 飛1，龔 鵬2，鄧瑞剛1，吳 杰1，姚 建1

(1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

目的 薄基巖特厚煤層綜放開采中許多科學(xué)問題急需研究；許多寶貴經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)；煤炭開采后關(guān)鍵層的破斷變形規(guī)律、地表移動(dòng)與變形規(guī)律、工作面礦壓規(guī)律與自然發(fā)火之間的關(guān)系等技術(shù)問題急需研究與探討。方法 以某煤田資源開采地質(zhì)條件為背景，建立薄基巖特厚煤層綜放開采相似模擬模型。結(jié)果 對回采過程中工作面周期來壓步距、影響范圍、地表沉陷特征、基本頂破斷規(guī)律等關(guān)鍵問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)論 基本頂周期垮落步距約為18cm，且呈大小交替的周期變化；隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)巖層堆積角層呈周期性變化，呈階梯狀斜向采空區(qū)發(fā)展；根據(jù)關(guān)鍵層判定特征，初步可判定6#煤層上方7.8～21.3m的基本頂巖層為F6203工作面的主關(guān)鍵層。

薄基巖；綜放；相似模擬；覆巖變形

0 引 言

1990年以前，隨著國內(nèi)能源需求增速加快，煤礦安全生產(chǎn)狀況呈惡劣態(tài)勢，造成大量人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。1990年以后，國家相繼采取一系列措施加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作，加大安全監(jiān)管力度，煤礦安全生產(chǎn)狀況總體上出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，然而并不穩(wěn)定。2014某礦業(yè)集團(tuán)煤礦發(fā)生巷道坍塌事故，20人被堵井下，造成1人死亡、1人失蹤的慘痛事故。隨著開采深度的增加，深部開采工程中“三高一擾動(dòng)”[1～3]引起的問題愈發(fā)嚴(yán)重，傷亡事故也隨之頻頻發(fā)生，同時(shí)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此薄基巖特厚煤層綜放開采覆巖變形的規(guī)律研究對于煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。薄基巖特厚煤層綜放開采許多科學(xué)問題急需研究，許多寶貴經(jīng)驗(yàn)需要總結(jié)。部分煤礦開采煤層埋藏較淺，頂板基巖較薄，開采厚度較大[4]，導(dǎo)致地表變形移動(dòng)幅度大，下沉明顯，裂縫大而深，開采引起的地表急劇下沉和寬大裂縫，對環(huán)境破壞大[5,6]，安全隱患嚴(yán)重。這不僅破壞環(huán)境，而且存在向井下漏風(fēng)與潰水可能，易產(chǎn)生煤層自燃或突水事故。

利用相似試驗(yàn)[7,8]深入研究薄基巖特厚煤層綜放開采覆巖變形規(guī)律，不僅可以延長礦井安全生產(chǎn)，盡快改善礦區(qū)人民的生存條件和生態(tài)環(huán)境，而且對保障社會(huì)穩(wěn)定、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著不可置疑的重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 相似模擬理論(the similar simulation theory)

相似試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)技術(shù)，利用事物或現(xiàn)象間存在的相似或類似等特征[9]來研究自然規(guī)律。特別適用于那些難以用理論分析方法獲取結(jié)果的研究領(lǐng)域，同時(shí)也是一種用于對理論研究結(jié)果進(jìn)行分析和比較的有效手段。

實(shí)質(zhì)上模型(ˊ)和原型(〞)之間滿足下列6個(gè)基本相似條件：

(1)幾何相似

模型與原型幾何尺寸滿足：

式中，Cl代表相似常數(shù)(以下同)。

(2)運(yùn)動(dòng)相似

模型與原型在幾何相似的基礎(chǔ)上，保證對應(yīng)時(shí)刻相似：

(3)應(yīng)力相似模型材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)該與原型巖體對應(yīng)相似，有：

Cp=Cr·Cl,Cσ=Cr·Cl·Cμ=1

式中Cγ為容重比。

(4)動(dòng)力相似

對動(dòng)力學(xué)相似系統(tǒng)，每一系統(tǒng)應(yīng)該滿足牛頓第二定律：

由此可推出：

(5)外力相似

主要指加載值與原型頂板受力相似：

(6)初始條件及邊界條件相似

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次相似模擬試驗(yàn)采用中國礦業(yè)大學(xué)自主設(shè)計(jì)平面模型試驗(yàn)臺(見圖1a)進(jìn)行模型鋪設(shè)開挖試驗(yàn)，使用YE-2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀(見圖1b)記錄埋設(shè)壓力盒數(shù)據(jù)在開采過程中的變化，用數(shù)碼攝像技術(shù)觀測巖層位移變化，使用水壓加載系統(tǒng)對上覆巖層加壓，數(shù)字圖像分析部分則使用中國礦業(yè)大學(xué)自主設(shè)計(jì)開發(fā)的“數(shù)字照相量測實(shí)用軟件系統(tǒng)PhotoInfor”[10]軟件。

(a)平面模型試驗(yàn)裝置圖 (b)YE-2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀

2.2 相似模型參數(shù)

模擬地層的取舍原則：

①模型的分層鋪設(shè)厚度為1cm，對于模擬的地層厚度小于0.3m應(yīng)綜合取舍；

②巖性接近的地層綜合，取加權(quán)平均的巖性參數(shù)；

③對巖層(堅(jiān)硬、軟弱巖層)界面應(yīng)嚴(yán)格確定。

2.3 測試方法及測點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)，使用松散顆粒材料模擬頂部裂隙發(fā)育煤層、其他各巖層所用相似材料不變進(jìn)行鋪設(shè)模型，通過觀測在綜放開采過程中基本頂破斷形態(tài)、上覆巖層的垮落角、超前影響角、堆積角、極限跨距和離層情況等，進(jìn)行薄基巖特厚煤層綜放開采覆巖變形分析。壓力測點(diǎn)、位移測線布置如圖2所示，回撤通道之間煤柱中布置2個(gè)壓力盒，編號為A1、A2，上覆巖層中布置兩排壓力盒，下面一排從左到右編號B1～B8，上面一排編號C1～C8。

圖2 測點(diǎn)測線布置圖

3 基本頂破斷結(jié)構(gòu)變形分析

本次試驗(yàn)通過PhotoInfor圖像處理軟件進(jìn)行巖層位移追蹤分析，根據(jù)圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，輸出結(jié)果通過像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)換算，測量得出模型圖像寬度2590pixel，相當(dāng)于模型實(shí)際寬度138cm，進(jìn)行位移處理。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

如圖4所示，此時(shí)工作面推進(jìn)至距模型左邊界31m，上覆巖層發(fā)生初次垮落，基本頂破斷距離為21cm，垮落角約為71 °。位移變形主要集中在垮落部分，垮落帶上方巖層位移雖有變化，但變化很小，且在移架后，散體顆粒材料模擬的頂煤層開始滑落，使上覆巖層沿頂煤破斷角垮落。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

如圖5所示，開挖至距模型左邊界57.7cm時(shí)，基本頂?shù)谌慰迓?，破斷處距模型左邊?3.6cm，此時(shí)巖層破壞仍未發(fā)育到地表，但離層發(fā)育較明顯。通過位移矢量云圖可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)上覆巖層開始出現(xiàn)發(fā)育至地表的彎曲下沉，但下沉量較小。

繼續(xù)開挖至距模型左邊界79.4cm，如圖6所示，基本頂?shù)谒拇慰迓?，破斷處距模型左邊界?5.8cm，垮落角約74 °，上覆巖層垮落至地表，“三帶”顯現(xiàn)明顯，此時(shí)形成一個(gè)直接貫穿至地表的大裂縫帶，使工作面嚴(yán)重漏風(fēng)，采空區(qū)CO超標(biāo)，影響工作面安全生產(chǎn)。通過位移矢量云圖，可以看出位移矢量方向斜向左下方，上方巖層位移較下部巖層相差較大，由此可見工作面上覆巖層有明顯彎曲下沉，但垮落未穩(wěn)定。

(a)模型變形圖 (b)位移矢量云圖

(a)模型變形圖 (b)位移矢量云圖

(a)模型變形圖 (b)位移矢量云圖

整體來看，隨著工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層經(jīng)歷了“離層-垮落-壓實(shí)”3個(gè)過程，下部巖層破碎程度越大，上部巖層破碎程度較小，主要表現(xiàn)為彎曲下沉。由于采高較大，工作面上覆巖層有明顯臺階下沉。經(jīng)測量，工作面推至距模型左邊界34cm、46.4cm、57.7cm、79.4cm、106.3cm、122.1cm，基本頂分別發(fā)生第一至第六次垮落，第四次開始出現(xiàn)垮落至地表的裂隙，“三帶”顯現(xiàn)明顯，基本頂周期垮落距離分別為21cm、14.4cm、18.2cm、18.2cm、25.7cm、14.2cm，垮落步距呈大小交替周期變化。

4 結(jié) 論

以某煤田資源開采地質(zhì)條件為背景，建立薄基巖特厚煤層綜放開采相似模擬模型，對回采過程中工作面周期來壓步距、影響范圍、地表沉陷特征、基本頂破斷規(guī)律等關(guān)鍵問題進(jìn)行系統(tǒng)研究得出以下結(jié)論：

(1)基本頂周期垮落步距約為18cm，且呈大小交替的周期變化。

(2)與工作面的距離超過50cm，采空區(qū)上覆巖層基本可達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，且各巖層下沉量基本一致；隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)巖層堆積角層呈周期性變化，最大約為29 °，巖層破斷呈階梯狀斜向采空區(qū)發(fā)展。

(3)根據(jù)關(guān)鍵層判定特征，初步可判定6#煤層上方7.8～21.3m的基本頂巖層為F6203工作面的主關(guān)鍵層。

[1]杜計(jì)平,孟憲銳.采礦學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009：20-123.

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[責(zé)任編輯：劉守義 英文編輯：劉彥哲]

Similar Simulation Experiment of Fully Mechanized Top Coal Caving Mining Extra of Thick Coal Seam

XIA Qing-sen1,LIU Fei1,GONG Peng2,DENG Rui-gang1,WU Jie1,YAO Jian1

(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Objective Many scientific problems of thin bedrock special thick seam fully mechanized still remain to be discussed and many valuable lessons need to summarize.The technological problems,such as breakage of key strata after coal mining deformation,surface movement and deformation law,mine pressure regularity and the relationship between the spontaneous combustion,are in urgent need of research and discussion.Methods Based on the background of mining geological conditions of coal resources,a similar simulation model of fully-mechanized mining of thin bedrock specially thick coal seam was established.Results It conducted the systematic research on key problems such as periodic pressure,influence scope,characteristics of surface subsidence and basic roof breaking law in the process of mining coal face.Conclusion Periodic caving distance of basic roof was about 18 cm the size had changes with an alternating cycle;with the advance of working face,the accumulation of strata in goaf angle of the layer changed periodically,developing toward the mined out area with ladder oblique;according to the judgment of the key layer characteristics,it could initially conclude that the main key stratum of basic roof of F6203 working face was 7.8 m～21.3 m above 6# coal seam.

thin bedrock;fully mechanized caving;similar simulation;deformation of overlying strata

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51074163)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50834005)；2015年宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心學(xué)生開放課題(2015SZXTXSKF10)

夏青森(1992-)，男，安徽滁州人，宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院在讀學(xué)生，研究方向：地下工程結(jié)構(gòu)。

劉飛(1989-)，男，江蘇宿遷人，碩士，助教，研究方向：地下工程結(jié)構(gòu)。

TD823.4+9；TD

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.01.009

來稿日期：2016.06.15