大采高綜采面覆巖結(jié)構(gòu)頂板垮落規(guī)律研究

蔣與飛 曹品偉

（河南神火煤電股份有限公司泉店煤礦，河南 許昌 461000）

受三軟煤層的影響，泉店煤礦厚煤層開采過程中的頂板問題一直是制約回采效率的重要因素。二1 煤層賦存于山西組下部，本工作面煤層走向119°，傾角平均約為26°，上距砂鍋窯砂巖（Ss）56.77～60.03 m，平均距離58.40 m，上距二3 煤層3～7.9 m，下距太原組上段灰?guī)r約20～25.8 m。工作面采高約7～8 m，一次性采全高。

本文通過使用相似材料模擬試驗(yàn)，對(duì)泉店煤礦二1 煤層進(jìn)行模擬研究，確定二1 煤層回采巷道的支護(hù)形式，找出傾斜工作面回采后的頂板變化情況以及結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律，為控制減小頂板采動(dòng)影響和上下順槽壓力控制提供重要的理論依據(jù)[1]。

1 相似模擬試驗(yàn)基本原理

相似材料模擬試驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種形式，是用來模擬和研究低壓變化規(guī)律的重要手段之一。按照礦山實(shí)際模型，通過一定的比例將實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行縮小，做成模型，然后在模型中進(jìn)行模擬井下巷道掘進(jìn)或采面回采作業(yè)等，以此觀察模型發(fā)生的一些物理形變等情況，進(jìn)而推測(cè)原型中將會(huì)發(fā)生的情況，通過近似推理，來解決實(shí)驗(yàn)原型面臨的實(shí)際問題，提出行之有效的解決方案。

2 相似模擬試驗(yàn)流程

2.1 相似比和材料配比

根據(jù)相似規(guī)律，在本次模擬過程中，通過對(duì)泉店煤礦大采高工作面進(jìn)行實(shí)際采集數(shù)據(jù)，了解煤層結(jié)構(gòu)及內(nèi)部斷層情況，確定了本次試驗(yàn)的相似比值，具體數(shù)據(jù)如下：

幾何近似比值=1:40；

容重近似比值=1:1.5；

時(shí)間近似比值=1:10；

應(yīng)力及強(qiáng)度近似比值=1:60。

根據(jù)工作面實(shí)際情況及模擬條件，本次試驗(yàn)建立模型上覆60 m 巖層，材料以沙料為支柱主體，高度設(shè)置為1.6 m，煤層厚度近似設(shè)置4 m，傾斜走向設(shè)置工作面底板，材料使用沙為骨干材料，碳酸鈣為聯(lián)結(jié)材料，在不同的模擬層中鋪設(shè)云母模擬巖層，以達(dá)到最真實(shí)的試驗(yàn)效果[2]。

試驗(yàn)過程每隔固定時(shí)間進(jìn)行拍照記錄一次，并將測(cè)量數(shù)據(jù)填寫至記錄表中，以得到采動(dòng)過程中頂板動(dòng)態(tài)變化近似數(shù)據(jù)。材料的相似配比見表1。

表1 材料相似配比表

2.2 模擬試驗(yàn)相似觀察方案

為了能夠得出大采高煤層的頂板破壞規(guī)律，真實(shí)研究?jī)A斜方向上頂板斷裂情況，分析頂板破斷失穩(wěn)以及控制技術(shù)措施，具體觀測(cè)方案如下。

設(shè)置位移觀測(cè)計(jì)量點(diǎn)位，本次計(jì)量點(diǎn)共設(shè)置三排。第一排布置在細(xì)砂巖頂部，與煤層間距離為83 mm；第二排布置在細(xì)砂巖之中，與第一排間距150 mm；第三排與第二排間距250 mm，且與第一排間距250 mm。同時(shí)觀測(cè)三排計(jì)量點(diǎn)位的位移變化。具體布置情況如圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 頂板破斷規(guī)律

首先設(shè)置工作面傾斜長(zhǎng)度為20 m 距離，從圖2可以看出，受頂板懸空面積影響，此時(shí)的頂板已經(jīng)開始出現(xiàn)垮落破斷的現(xiàn)象，但是破碎程度較小，且塊與塊之間出現(xiàn)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，煤壁破斷后出現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)，頂板整體出現(xiàn)垮落情況。因此，工作面在傾向方面已承受壓力影響，傾向來壓往往與走向壓一起同時(shí)對(duì)頂板產(chǎn)生較大影響。

事實(shí)上不論形式的工與寫，謹(jǐn)嚴(yán)或率真，中國(guó)畫所陳述的情境的創(chuàng)作和欣賞都是指向主觀的感悟和體驗(yàn)的。對(duì)客觀對(duì)象的描摹并以此來驗(yàn)證技法的高低乃至藝術(shù)價(jià)值的高低偏離了我們長(zhǎng)期以來堅(jiān)持和實(shí)踐的中國(guó)畫創(chuàng)作方式和審美觀，因此，對(duì)于工筆畫來說，應(yīng)該從繪畫的圖式上回歸以形寫神的形態(tài)語言，從審美體驗(yàn)中回歸精神境界和格雅逸品，從繪畫的過程中回歸平靜與從容的心理情態(tài)，從而回歸內(nèi)心，回歸靈性與生命的呈現(xiàn)。

圖2 工作面斜長(zhǎng)20 m 狀態(tài)

此時(shí)，石塊1 與石塊2 之間已經(jīng)呈現(xiàn)連接情況，且?guī)r塊2 與煤壁間也構(gòu)成了連接情況。由此可見，堅(jiān)硬巖層時(shí)間的連接結(jié)構(gòu)，可以共同產(chǎn)生承載作用，但是直接頂層厚較薄，破斷之后無法完整填充采空區(qū)，因此，在垮落石塊和未垮落巖層之間，又形成了新的空檔，在下一步的開采過程中，繼續(xù)破碎形成二次垮落，垮落高度進(jìn)一步增加[3]。

圖3 工作面斜長(zhǎng)40 m 狀態(tài)

隨著工作面回采長(zhǎng)度的不斷拉長(zhǎng)，頂板垮落情況逐漸加大，破碎情況更嚴(yán)重，垮落的巖層整體呈現(xiàn)下移。因此在工作面開采過程中需要防止頂板的破斷下沉對(duì)支架的影響，支架往往和頂板之間形成穩(wěn)定的擠壓關(guān)系，隨著頂板的破斷下滑會(huì)導(dǎo)致支架隨著頂板一同下滑，因此支架的防倒防滑此時(shí)較為重要，從而保證支架的穩(wěn)定[4]。

隨著巖塊的整體下沉，在圖3 可以看出，上覆巖塊在滑移過程中卡在了上覆巖塊下側(cè)，暫時(shí)對(duì)石塊起到了承托作用，提高穩(wěn)定性，并且該處沒有明顯的垮落情況，短期內(nèi)處于穩(wěn)態(tài)，由于傾斜角度的存在，提高了部分區(qū)域的穩(wěn)態(tài)保持程度，有利于頂板的控制。

圖4 工作面斜長(zhǎng)56 m 狀態(tài)

受上層巖層和垮落間隙的影響，頂板一次破碎后不久出現(xiàn)二次破碎現(xiàn)象，并且伴隨著強(qiáng)烈的頂板下沉。此時(shí)，受自重作用壓力，關(guān)鍵層位下沉，直接造成上覆巖層破裂下降，從圖4 能夠明顯看出破碎情況，且二次形成離層間隙帶，但由于支撐作用，上覆巖層離斷間隙并不嚴(yán)重，礦壓顯現(xiàn)效果明顯。

4 頂板破落動(dòng)態(tài)變化情況分析

通過對(duì)本次試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)，貫徹工作面回采過程中頂板出現(xiàn)的相似變化，測(cè)點(diǎn)設(shè)置在距離煤層4 m、8 m、14 m、17 m、24 m、30 m 位置處，通過測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到圖5。

圖5 工作面頂板水平位移量

圖6 工作面頂板垂直位移量

通過對(duì)工作面頂板垂直位移監(jiān)測(cè)可以看出，頂板變化的水平方向位移量和垂直方向位移量有相似之處，主要變化情況均為上部移動(dòng)變量數(shù)值較大，并且，隨著回風(fēng)巷道的逐漸加長(zhǎng)，這些位移量也在急劇增加。在距離采煤面15 m 時(shí)達(dá)到峰值，距離煤層4 m 處達(dá)到4.3 m，距離煤層8 m 處達(dá)到3.8 m，位移量相對(duì)較大，并且伴隨煤層變化，位移量顯著降低，在采煤面的中部達(dá)到峰值，但均低于2 m數(shù)值。

5 結(jié)論

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，大采高工作面由于采高大，垮落距離長(zhǎng)，在頂板進(jìn)行一次破碎之后，由于空隙原因，在工作面繼續(xù)推進(jìn)的過程中，會(huì)造成頂板二次垮落，但是在普通采高下不會(huì)出現(xiàn)類似現(xiàn)象。泉店煤礦二1 煤層回采過程中，由于頂板中巖層較厚，細(xì)砂巖破碎后能夠形成較為穩(wěn)定的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，形成砌體梁，但由于下沉量增加，砌體梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并不穩(wěn)定，導(dǎo)致破斷情況繼續(xù)向上層蔓延，工作面礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。因此，二1 煤層回采時(shí)工作面推進(jìn)需加快進(jìn)度，在二次破斷之前將綜放工作面推至較遠(yuǎn)位置，確保綜放工作面安全生產(chǎn)。