薄煤層工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似模擬研究

郭 路

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048019）

煤層賦存具有多樣性和復(fù)雜性，開(kāi)采過(guò)程中覆巖的破壞具有不連續(xù)性，因此無(wú)法通過(guò)建立統(tǒng)一模型解析覆巖破壞形式，相似模擬依據(jù)巖層相似理論[1-3]，通過(guò)建立實(shí)物小模型分析巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究單個(gè)或多個(gè)因素對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)的影響已得到廣泛應(yīng)用。本文以寺河煤礦二號(hào)井九四盤(pán)區(qū)首個(gè)薄煤層工作面94311為研究背景，旨在通過(guò)相似模擬得出覆巖運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，從而確定有效的支護(hù)方式及頂板控制措施，保障工作面的安全生產(chǎn)。

1 工程概況

寺河煤礦二號(hào)井94311工作面為該礦九四盤(pán)區(qū)首個(gè)薄煤層工作面，煤層厚度1.1～1.8m，為山西組9#煤層。地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該區(qū)域最大主應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，五個(gè)測(cè)站最大主應(yīng) 力 分 別 為 12.01MPa、11.82MPa、7.53MPa、6.88MPa、14.56MPa；最大主應(yīng)力方向介于N37.20W～N67.50W之間。

9#煤層直接頂主要以泥巖為主，強(qiáng)度多在30～45MPa之間。老頂主要以中砂巖和灰?guī)r為主，強(qiáng)度集中在65～120MPa之間。底板由致密的灰?guī)r構(gòu)成，強(qiáng)度平均在90MPa左右。

2 相似模擬試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 模擬試驗(yàn)相似系數(shù)確定

根據(jù)本次試驗(yàn)?zāi)康?，綜合考慮到試驗(yàn)可操作性和實(shí)際性，依據(jù)相似準(zhǔn)則，本次試驗(yàn)取相似系數(shù)如下：

（1）幾何相似

式中：

Lm-模型尺寸；

Lp-原型尺寸。

（2）時(shí)間相似

式中：

Tm-模型時(shí)間；

Tp-原型時(shí)間。

（3）容重相似

式中：

γm-模型容重，取1.5×104kg/m3；

γp-原型容重，取2.5×104kg/m3。

（4）其它相似

強(qiáng)度比：

彈模比：CE=Cr×CL=0.012

外力比：CP=Cr×CL3=4.8×10-6

泊松比：Cμ=1

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)本次試驗(yàn)?zāi)康模㈤L(zhǎng)×寬×高=4.0×0.3×2.0（m）的平面應(yīng)力模型。根據(jù)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果以及相似系數(shù)計(jì)算各模擬巖層的強(qiáng)度，選取相似模擬試驗(yàn)巖層配比號(hào)，采用云母片進(jìn)行模擬巖層間節(jié)理等弱面。模型巖層配比參數(shù)如表1所示。

表1 模型巖層配比參數(shù)表

模型中未模擬出的上覆巖層載荷qm為：

式中：

qm-未模擬巖層自重應(yīng)力，N；

qp-原型自重應(yīng)力，N；

γp-原型容重，取2.5×104kg/m3；

H-工作面采深，432m；

Hl-模型模擬頂板巖層厚度，m；

cσ-應(yīng)力比。

式中：

L-模型長(zhǎng)度，m；

b-模型寬度，m；

S-模型面積，m2；

P-模擬外力，N。

通過(guò)計(jì)算得模型模擬外力為123120N，加載系統(tǒng)共13個(gè)油缸，單個(gè)油缸加力為9470.77N。油缸斷面積是所以單個(gè)油缸應(yīng)加外力Pm=9470.77/3.116×10-3=3.04Pa。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試設(shè)備

為研究薄煤層工作面開(kāi)采后覆巖移動(dòng)變形規(guī)律，采用在模型上不同高度布置4條位移監(jiān)測(cè)測(cè)線的方式進(jìn)行觀測(cè)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用相機(jī)拍攝模型開(kāi)挖過(guò)程中頂板巖層活動(dòng)演化過(guò)程，使用全站儀觀測(cè)覆巖移動(dòng)變形變化規(guī)律，用標(biāo)尺來(lái)標(biāo)定覆巖裂隙發(fā)育高度。

圖1 位移測(cè)線布置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

模型開(kāi)挖時(shí)，為了減小模型的邊界效應(yīng)，兩端各留出30cm保護(hù)段，由左向右逐步開(kāi)挖。

3.1 直接頂垮落

當(dāng)開(kāi)挖至25cm（實(shí)際12.5m）時(shí)，工作面直接頂與上部巖層開(kāi)始出現(xiàn)離層，工作面老頂也產(chǎn)生微小裂隙，隨著工作面的繼續(xù)開(kāi)挖，直接頂懸露面積也繼續(xù)加大；當(dāng)工作面推進(jìn)37cm（實(shí)際18.5m）時(shí)，直接頂發(fā)生垮落，垮落巖層呈不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 直接頂垮落圖

3.2 老頂初次來(lái)壓

隨著繼續(xù)開(kāi)挖，老頂及上覆巖層裂隙繼續(xù)向上擴(kuò)展；當(dāng)工作面推進(jìn)44cm（實(shí)際22m）時(shí)，老頂開(kāi)始與上覆巖層出現(xiàn)離層，且?guī)r層裂隙明顯增大；當(dāng)開(kāi)挖至54cm（實(shí)際27m）時(shí)，老頂發(fā)生初次垮落，垮落巖層呈梯形，老頂初次破斷距為27m，巖層垮落高度為22cm（實(shí)際11m），如圖3。

圖3 老頂初次來(lái)壓

3.3 老頂?shù)谝淮沃芷趤?lái)壓

當(dāng)工作面推進(jìn)70cm（實(shí)際35m）時(shí)，巖層裂隙繼續(xù)向上發(fā)展，上方巖層中的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖離層量比較大；當(dāng)工作面推進(jìn)85cm（現(xiàn)場(chǎng)42.5m）時(shí)，老頂同上方控制的巖層一起在工作面后方發(fā)生破斷，老頂發(fā)生第一周期來(lái)壓，煤壁側(cè)的覆巖垮落角為60°，步距為15.5m，此時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育高度達(dá)到45cm（22.5m）。

3.4 巖層最終垮落

隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)老頂在工作面后方周期性發(fā)生破斷，上方裂隙不斷向上發(fā)展，采空區(qū)上方巖層不斷被壓實(shí)，離層趨于閉合，工作面前方不斷有新生裂隙產(chǎn)生，覆巖裂隙帶高度發(fā)育逐步穩(wěn)定。

綜上分析，直接頂初次垮落步距為18.5m，老頂初次來(lái)壓步距為27m，周期來(lái)壓步距為12.5～15.5m，平均為13.67m，煤壁側(cè)、采空區(qū)的垮落角分別為73°、67°。

4 覆巖移動(dòng)規(guī)律分析

在模型開(kāi)挖過(guò)程中使用全站儀對(duì)位移觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制不同時(shí)期形成的下沉曲線圖。如圖4所示。

圖4 巖層中位移測(cè)線下沉曲線圖

由圖4覆巖位移分析可知，當(dāng)工作面開(kāi)挖至54cm（27m）時(shí)，老頂初次來(lái)壓，位于采場(chǎng)頂板附近測(cè)線一上部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)垂直位移，最大下沉量為14mm；而測(cè)線二、測(cè)線三、測(cè)線四的垂直位移不明顯。當(dāng)推進(jìn)距離86cm（43m）時(shí)，測(cè)線一、測(cè)線二上位于采場(chǎng)附近的測(cè)點(diǎn)的垂直位移較大，測(cè)線一最大下沉量為20mm，而測(cè)線三和測(cè)線四的垂直位移不明顯。當(dāng)推進(jìn)距離146cm（73m）時(shí)，測(cè)線一和測(cè)線二上采場(chǎng)附近測(cè)點(diǎn)的垂直位移最大，測(cè)線一最大下沉量為27mm，測(cè)線二最大下沉量為23mm，測(cè)線三最大下沉量為21mm，測(cè)線四最大下沉量為18mm。當(dāng)推進(jìn)距離236cm（118m）時(shí)，測(cè)線一至測(cè)線六中采場(chǎng)附近測(cè)點(diǎn)的垂直位移均有不同程度的增加。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，采場(chǎng)附近測(cè)點(diǎn)的位移均出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，采動(dòng)影響也向著更高層位巖層處傳遞，當(dāng)推進(jìn)距離320cm（160m）時(shí)，測(cè)線一、測(cè)線二、測(cè)線三、測(cè)線四最大下沉量均出現(xiàn)在工作面后方，分別達(dá)到27mm（1.35m）、25mm（1.25m）、24mm（1.2m）和18mm（0.9m）。

5 結(jié)論

通過(guò)薄煤層開(kāi)挖相似模擬實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）薄煤層工作面直接頂初次垮落步距為18.5m，老頂初次來(lái)壓步距為27m，周期來(lái)壓步距為12.5～15.5m，平均為13.67m，得出了該工作面的覆巖移動(dòng)規(guī)律，對(duì)提高該工作面的安全生產(chǎn)和提高采出率具有指導(dǎo)意義。

（2）巖層運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的分層運(yùn)動(dòng)特征，且?guī)в蟹峭椒蔷鶆蛱卣鳌?/p>

（3）沉降過(guò)程呈現(xiàn)連續(xù)特征，巖層沉降曲線形態(tài)與地表沉降曲線形態(tài)較為相似。