大采高綜采面堅(jiān)硬頂板破斷特征相似模擬研究

魏 磊

(山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán) 神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400)

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭一直是我國(guó)的主體消費(fèi)能源，雖然國(guó)家大力推行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但是短期內(nèi)，煤炭的主體消費(fèi)能源地位不會(huì)改變，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤礦采掘設(shè)備與開(kāi)采技術(shù)不斷發(fā)展，綜合機(jī)械化采煤工藝開(kāi)始興起，由于其具有良好的安全性能、快速的開(kāi)采進(jìn)度以及較高的可靠性，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)大、中、小煤礦開(kāi)采[1-2]。雖然綜采工藝已廣泛應(yīng)用，當(dāng)煤層頂板賦存堅(jiān)硬巖層時(shí)，由于綜采工藝其推采速度較快，短時(shí)間形成大范圍的空頂，當(dāng)堅(jiān)硬頂板巖層突然破斷，極易造成工作面形成沖擊氣壓，造成工作面災(zāi)害性事故的發(fā)生，尤其當(dāng)采高較大時(shí)，該類(lèi)隱患更為突出[3-5]。神農(nóng)煤業(yè)15102工作面開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層頂板賦存堅(jiān)硬巖層K2灰?guī)r，厚度6.5～7.5 m，深灰色、厚層狀，沉積穩(wěn)定，層理結(jié)構(gòu)，在鄰近工作面開(kāi)采時(shí)，頂板巖層周期來(lái)壓強(qiáng)度較大，造成了工作面出現(xiàn)壓架現(xiàn)象，表明了支架選型和開(kāi)采工藝不合理，直接影響到工作面的安全高效開(kāi)采。為此，本文以該工作面為工程背景，采用相似模擬的方法，研究神農(nóng)煤業(yè)大采高綜采面覆巖破斷特征，為工作面開(kāi)采工藝和支架選型提供參考，可指導(dǎo)堅(jiān)硬頂板下煤炭資源的安全高效回采，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

神農(nóng)煤業(yè)15102工作面位于井田一采區(qū)南部，工作面開(kāi)采15號(hào)煤層，地面標(biāo)高+1 006～+1 066 m，工作面位于一采區(qū)南部，北部為15101綜采工作面；南部未開(kāi)采；東面80 m為F1斷層；南部為實(shí)體煤；西部依次為一采區(qū)軌道大巷、一采區(qū)膠帶大巷、一采區(qū)回風(fēng)大巷，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤厚相對(duì)穩(wěn)定，局部含一層夾矸，平均煤厚為4 m，煤層傾角+2°～-6°，老頂為K2灰?guī)r，厚度6.5～7.5 m，深灰色、厚層狀，沉積穩(wěn)定，層理結(jié)構(gòu)，局部裂隙較發(fā)育，厚度變化不大，直接頂為泥質(zhì)灰?guī)r，厚度0.6～0.8 m，黑灰色，層狀結(jié)構(gòu)，沉積穩(wěn)定，含少量植物化石，質(zhì)地堅(jiān)硬；直接底為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度0.1～0.3 m，灰黑色，層理結(jié)構(gòu)，質(zhì)地較松軟，老底為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度3.35～10.28 m，含少量黃鐵礦結(jié)核，質(zhì)地較松軟。

2 大采高綜采面覆巖破斷特征

為研究大采高堅(jiān)硬頂板破斷特征，基于工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用相似模擬的方法，建立大采高堅(jiān)硬頂板開(kāi)采模型。相似模擬實(shí)驗(yàn)中，自左側(cè)20 cm處開(kāi)始做切眼，圖1中(a)～(j)分別給出了推采35 cm、45 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、110 cm和120 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的工作面頂板覆巖破斷特征。

隨著工作面的不斷推采，采空區(qū)頂板巖層懸露跨距逐漸增加，覆巖載荷開(kāi)始作用至頂板巖層，當(dāng)其達(dá)到巖層自身承載極限時(shí)，頂板巖層出現(xiàn)初次破斷，基本頂及其上覆巖層出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。由圖1可知，基本頂巖層初次破斷發(fā)生在工作面推采30 cm時(shí)，初次垮落步距25 cm，垮落帶高度3.1 m，是采高的0.7～0.8倍，隨著工作面的不斷推移，基本頂巖層開(kāi)始出現(xiàn)周期性垮落破斷，即周期來(lái)壓現(xiàn)象，當(dāng)工作面推采至40 cm時(shí)，工作面基本頂巖層出現(xiàn)整體破斷現(xiàn)象，上覆巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象。此時(shí)，頂板垮落大高度約為4.3 cm，工作面推采至50 cm時(shí)，采空區(qū)頂板巖層大范圍破斷，基本頂垮落長(zhǎng)度近60 cm，垮落高度近10 cm，是采高的2.4～2.5倍，此時(shí)工作面處巖層垮落角為59°，切眼處垮落角為52°。

圖1 不同推采進(jìn)尺對(duì)應(yīng)的頂板覆巖破斷特征

當(dāng)工作面繼續(xù)推采至60 cm時(shí)，采空區(qū)覆巖再次出現(xiàn)破斷現(xiàn)象，頂板巖層離層加劇，出現(xiàn)縱橫向破斷裂隙。同時(shí)，工作面后方覆巖出現(xiàn)斜切垮落，表明上覆巖層失穩(wěn)破斷，向下傳遞覆巖應(yīng)力，造成區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)上覆巖層垮落長(zhǎng)度大30.1 cm，垮落高度為18.1 cm，是采高的4.4～4.5倍，頂板堅(jiān)硬巖層絕大部分已垮落破斷，工作面處覆巖垮落角約為54°。

當(dāng)工作面繼續(xù)推采70 cm時(shí)，工作面上覆巖層整體性出現(xiàn)大面積破斷下沉，此時(shí)上覆巖層垮落高度大31.3 cm，是采高的7.8～7.9倍，上覆巖層離層區(qū)范圍大大增加，裂隙長(zhǎng)度增加至30.0 cm，并在持續(xù)向上發(fā)育，由于上覆巖層的整體性垮落破斷，壓密閉合了低位巖層離層裂隙，工作面處覆巖垮落角約為61°。

當(dāng)工作面繼續(xù)推采80 cm時(shí)，工作面高位覆巖出現(xiàn)大范圍變形破壞，構(gòu)成彎曲下沉帶，同時(shí)離層裂隙繼續(xù)發(fā)育，裂隙發(fā)育長(zhǎng)度達(dá)32.0 cm，其延伸范圍同步增加，工作面后方垮落巖塊開(kāi)始逐漸充實(shí)采空區(qū)，后方采空區(qū)低位覆巖逐漸區(qū)域平衡，此時(shí)，采空區(qū)覆巖垮落高度為44.2 cm，是采高的11.0～11.5倍，工作面處覆巖垮落角約為62°。

當(dāng)工作面繼續(xù)推采90 cm時(shí)，工作面后方垮落巖塊充實(shí)采空區(qū)，垮落帶及低位裂隙帶巖層層間裂隙逐漸閉合，但其高位覆巖出現(xiàn)層狀垮落，橫向裂隙發(fā)育長(zhǎng)度達(dá)30 cm，頂板巖層周期性垮落。此時(shí)，采空區(qū)覆巖垮落高度為48.9 cm，是采高的12.0～12.5倍，工作面處覆巖垮落角約為62°。

當(dāng)工作面繼續(xù)推采100 cm時(shí)，高位覆巖層間裂隙繼續(xù)發(fā)育，橫向裂隙發(fā)育長(zhǎng)度達(dá)42.7 cm，裂隙離層間距大2.3 cm，并繼續(xù)向上發(fā)育，低位覆巖層間裂隙閉合，堅(jiān)硬基本頂已完全垮落，采空區(qū)逐漸壓密充實(shí)。

當(dāng)工作面繼續(xù)推采110 cm時(shí)，高位覆巖裂隙充分發(fā)育，出現(xiàn)大范圍彎曲下沉，此時(shí)，采空區(qū)覆巖處于“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的形態(tài)。當(dāng)工作面繼續(xù)推采120 cm時(shí)，工作面推采結(jié)束，覆巖應(yīng)力充分傳遞至頂板巖層，整體巖層垮落形態(tài)近似對(duì)稱(chēng)分布，在工作面端頭形成傳遞巖梁結(jié)構(gòu)。

綜上所述，在大采高綜采面覆巖破斷特征研究中，頂板巖層初次破斷后，基本頂及其上覆巖層出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，低位巖層逐漸出現(xiàn)離層，頂板巖層初次破斷長(zhǎng)度為25 cm，周期來(lái)壓步距為 10～15 cm，工作面推采結(jié)束后，采空區(qū)巖層垮落形態(tài)近似對(duì)稱(chēng)分布，在工作面端頭形成傳遞巖梁結(jié)構(gòu)，即在工作面端頭形成支承應(yīng)力，一定程度上造成端頭應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)注意加強(qiáng)礦壓觀測(cè)和端頭支架的選型。

3 結(jié) 語(yǔ)

大采高綜采面推采速度快，易造成采空區(qū)堅(jiān)硬頂板大面積垮落、覆巖活動(dòng)劇烈。研究表明，隨著工作面的不斷推采，覆巖載荷開(kāi)始作用至頂板巖層，頂板巖層初次破斷后，基本頂及其上覆巖層出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，低位巖層逐漸出現(xiàn)離層，隨著推采距離的增加，垮落巖塊充實(shí)采空區(qū)，低位巖層層間裂隙逐漸閉合，高位覆巖出現(xiàn)離層現(xiàn)象，并產(chǎn)生層狀垮落，采空區(qū)覆巖始終處于“穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定”的形態(tài)，工作面推采結(jié)束后，采空區(qū)巖層垮落形態(tài)近似對(duì)稱(chēng)分布，在工作面端頭形成傳遞巖梁結(jié)構(gòu)，研究成果為神農(nóng)煤業(yè)15102工作面開(kāi)采工藝和支架選型提供參考。