復(fù)合煤層開采相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

郭利軍

(新景煤礦有限公司,山西 陽泉 045000)

煤層開采致使覆巖離層變形將會造成礦井發(fā)生頂板涌水[1-3],覆巖導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育規(guī)律決定了礦井的涌水機(jī)理[4-5]。相較于單一煤層開采,復(fù)合煤層開采過程中的重復(fù)擾動作用將會導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈運(yùn)動。為探明覆巖運(yùn)移與破斷規(guī)律,許家林[6]通過相似模擬實(shí)驗(yàn),理論分析了復(fù)合煤層下行開采時關(guān)鍵層破斷與來壓規(guī)律,表明切眼距保護(hù)煤柱的距離對礦壓顯現(xiàn),尤其是導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度具有重要影響。孫力等[7]對煤層群下行開采進(jìn)行研究,表明覆巖最大下沉點(diǎn)在采空區(qū)后方,同時此位置是裂隙導(dǎo)通程度最高的位置。高彬等[8]運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了上工作面過下工作面切眼時的應(yīng)力分布規(guī)律,表明組間頂板存在短暫愈合期,并驗(yàn)證了覆巖裂隙帶的自修復(fù)作用。為探明新景煤礦復(fù)合煤層開采對覆巖的重復(fù)擾動影響,進(jìn)而為導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育狀態(tài)進(jìn)行研究,運(yùn)用相似模擬實(shí)驗(yàn)方法,對覆巖裂隙帶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行透明化分析。

1 工程概況

新景煤礦井田內(nèi)發(fā)育多組煤層,現(xiàn)階段主要開采8號煤層與9號煤層,8號煤層在井田西部、南部、中部發(fā)育較好,可采性高,煤層平均厚度為3 m.9號煤層位于8號煤層往下1.55～33.86 m,平均間距為15.65 m,在西部地區(qū)間距較薄,平均為14 m,東部地區(qū)較厚,最厚可達(dá)33.86 m.

2 相似模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)某礦巖石力學(xué)測試結(jié)果,建立二維相似材料模型如圖1所示,相似模擬的材料參數(shù)如表1所示。通過模擬工作面開挖中覆巖破壞情況,結(jié)合聲發(fā)射技術(shù),分析導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度以及覆巖破壞規(guī)律,為涌水機(jī)理研究奠定基礎(chǔ)。

表1 相似模擬模型參數(shù)

圖1 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模型采用外形尺寸(長×寬×高)為=3.0 m×0.2 m×2.0 m的平面應(yīng)變模型架,確定模擬實(shí)驗(yàn)的幾何相似比例為1∶200,按照相似定理,時間相似比為1/14,泊松比與內(nèi)摩擦角相似比為1,應(yīng)力相似比為1/300,壓力相似比為1/1.2×107.模型鋪裝尺寸(長×寬×高)=3.0 m×0.2 m×1.67 m,由于模型高度受限制,在頂部鋪裝一層鐵磚模擬高度10 cm的巖層,故實(shí)際鋪裝157 cm.

走向模型工作面開采方案:礦井8號煤層采用一次采全高煤,在距離模型左邊界20 cm做切眼,直至距離模型右側(cè)20 cm時結(jié)束(可看作停采線位置),共計(jì)回采260 cm,開采范圍遠(yuǎn)大于工作面的傾向長度,達(dá)到了充分采動,能夠?qū)崿F(xiàn)對8號煤首采面覆巖裂隙發(fā)育高度的精準(zhǔn)模擬,由于礦井工作面一日推進(jìn)6 m,按照相似比1∶200,模型一次回采3 cm,總計(jì)回采87次。

2.2 開采模擬研究

根據(jù)礦井工作面煤層實(shí)際開采順序,模型的頂板垮落變形趨勢如圖2所示。

圖2 復(fù)合煤層開采相似模擬實(shí)驗(yàn)

由圖2(a)可知,工作面自開切眼回采至39 cm,上覆巖層初次垮落,為工作面直接頂垮落,頂板初次來壓步距39 cm,工作面左右兩端的破斷角分別為27°、27°;由圖2(b)可知,當(dāng)工作面自開切眼回采至84 cm時,上覆巖層垮落,為工作面老頂?shù)?次周期來壓,周期來壓步距24 cm,覆巖垮落高度9 cm,上覆巖層出現(xiàn)裂隙以及離層。

由圖2(b)可知,工作面自開切眼回采至183 cm時,上覆巖層垮落,為工作面老頂?shù)?次周期來壓,周期來壓步距24 cm,覆巖垮落高度為29 cm,上覆巖層出現(xiàn)裂隙以及離層,工作面左右兩端的破斷角分別為37°、24°.

由圖2(c)可知,當(dāng)工作面回采至260 cm時,老頂懸頂距離加大再次周期破斷,此時為工作面老頂?shù)?2次周期來壓,周期來壓步距18 cm,覆巖垮落高度為9 cm.隨著工作面繼續(xù)向前回采,上覆巖層周期性垮落,呈現(xiàn)周期性來壓。

由圖2(d)可知,工作面自開切眼回采至36 cm,隨著推進(jìn)懸頂距增大導(dǎo)致上覆巖層初次垮落,初次垮落步距為36 cm,覆巖垮落高度為8 cm,采空區(qū)左側(cè)破斷角為65°,右側(cè)破斷角為53°.

由圖2(e)可知,當(dāng)工作面回采至189 cm,覆巖老頂垮落,為覆巖老頂周期來壓,為頂板的第11次來壓,垮落至所鋪設(shè)的模型頂部,采空區(qū)左側(cè)破斷角為69°,右側(cè)破斷角為58°,來壓步距為12 cm.

由圖2(f)可知,11182工作面回采至260 cm時上覆巖層周期垮落后的形態(tài)。工作面上覆巖層出現(xiàn)破斷以及微小裂隙,工作面上方巖層出現(xiàn)離層以及垮落,從圖中可以看出,垮落范圍已經(jīng)達(dá)到模型頂部。工作面端部破斷線的巖層垮落角分別為69°、70°,同時在采空區(qū)上覆垮落巖層形成一個較大等腰梯形垮落形態(tài)。

3 頂板礦壓特征分析

對工作面回采結(jié)束時的頂板離層發(fā)育空間規(guī)律進(jìn)行分析,根據(jù)圖3所示。當(dāng)工作面回采至39 cm(實(shí)際78 m)時,覆巖有明顯的位移下沉,工作面上方頂板巖層出現(xiàn)移動的范圍高度達(dá)到5 cm(實(shí)際10 m)左右,并將繼續(xù)向上發(fā)展;當(dāng)工作面回采至60 cm(實(shí)際120 m)時,頂板巖層移動的范圍逐漸沿推進(jìn)方向變大,巖層下沉位移值也逐漸加大,工作面上方頂板巖層出現(xiàn)移動的高度為10 cm(實(shí)際20 m)左右;當(dāng)工作面回采至108 cm(實(shí)際216 m)時,上覆巖層離層不斷發(fā)育,當(dāng)達(dá)到極限時,巖層發(fā)生了破斷垮落,工作面上方巖層移動較為明顯,工作面上方頂板巖層出現(xiàn)移動的高度大約為33 cm(實(shí)際66 m),覆巖呈非對稱性破斷,最大下沉值點(diǎn)有明顯的滯后性;當(dāng)工作面回采至156 cm(實(shí)際312 m)時,覆巖變化明顯,采空區(qū)后方監(jiān)測點(diǎn)則無明顯變化,趨于穩(wěn)定,工作面上方頂板巖層出現(xiàn)移動的高度大約為58 cm(實(shí)際116 m),隨著高度增加,代表著不同巖層移動值的綠色、黃色區(qū)域形態(tài)呈倒“V”型分布;當(dāng)工作面回采至198 cm(實(shí)際396 m)時,最大下沉值點(diǎn)的滯后性以及覆巖破斷的非對稱性越來越趨于明顯,工作面上方頂板巖層出現(xiàn)移動的高度大約為60 cm(實(shí)際120 m);當(dāng)工作面回采至260 cm(實(shí)際520 m)時,11178工作面回采結(jié)束,非對稱性破斷現(xiàn)象明顯。由此可知,整體的下沉規(guī)律為“梯形”分布,內(nèi)部發(fā)育倒“V”形分布的非對稱性離層破斷。

圖3 上組煤層工作面覆巖變形特征

9號煤開采形成的覆巖變形是在上層煤8號煤回采結(jié)束所形成的覆巖變形的基礎(chǔ)上繼續(xù)形成的。9號煤開采所形成的覆巖變形比8號煤更嚴(yán)重,根據(jù)圖4所示,覆巖的下沉量也更大,隨著工作面的推進(jìn),上覆巖層逐漸破壞,并不斷向上擴(kuò)展,在復(fù)合煤層開采的影響下,巖層位移區(qū)域范圍迅速擴(kuò)大。當(dāng)工作面回采至54 cm(實(shí)際108 m)時,頂板巖層變化明顯,但變化范圍小;當(dāng)工作面回采至102 cm(實(shí)際204 m)時,巖層移動向上發(fā)展,工作面上方巖層有明顯位移變化。工作面上方頂板巖層出現(xiàn)移動的高度大約為84 cm(實(shí)際168 m),整個位移云圖呈拋物線形狀;當(dāng)工作面回采至177 cm(實(shí)際354 m)時,覆巖的破斷和下沉已經(jīng)發(fā)育到地表,地表下沉現(xiàn)象明顯,地表下沉量較大,下沉曲線沿工作面推進(jìn)方向繼續(xù)延伸,覆巖整體裂隙發(fā)育明顯;當(dāng)工作面回采至201 cm(實(shí)際402 m)時,發(fā)生了一次較大的周期來壓,覆巖破斷和下沉的區(qū)域較大,工作面附近上方的巖層發(fā)生了整體切斷下沉,位移變化明顯,由于下部巖層被壓密,采空區(qū)后方巖層以及覆巖中下部巖層無明顯位移變化;當(dāng)工作面回采至234 cm(實(shí)際468 m)時,工作面上方巖層移動明顯,采空區(qū)后方則趨于穩(wěn)定,同時最大下沉值點(diǎn)的滯后性以及覆巖破斷的非對稱性越來越趨于明顯,從圖中可以看出,覆巖位移云圖整體上呈現(xiàn)出“M”字形;當(dāng)工作面回采至260 cm(實(shí)際520 m)時,自模型下部而上其垮落范圍相較于上層煤來說逐漸增大,垮落形態(tài)相較于上層煤外錯。

圖4 下組煤層工作面覆巖變形特征

4 聲發(fā)射規(guī)律分析

為探究頂板破斷的空間規(guī)律,采用聲發(fā)射技術(shù)對模型開挖過程中的覆巖破斷離層規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測,繪制圖5所示的聲發(fā)射定位圖。

圖5 上組煤層開采聲發(fā)射特征

根據(jù)圖5所示,8號煤回采初期,聲發(fā)射事件主要發(fā)生在工作面上方巖層約為500 mm以下,由于開采跨度較小,離層發(fā)育高度也較低,聲發(fā)射定位被圈在呈“梯形”范圍之內(nèi),“倒V形”區(qū)域內(nèi)的覆巖聲發(fā)射振鈴數(shù)較多,隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),離層繼續(xù)向上發(fā)育,聲發(fā)射定位沿著“梯形”的右腰線和上頂邊繼續(xù)擴(kuò)展。

根據(jù)圖6所示,9號煤回采初期,由于8號煤回采結(jié)束后上覆巖層已經(jīng)發(fā)生破斷,裂隙重新被壓密,9號煤回采過程中覆巖再次垮落,巖層垮落角較小。聲發(fā)射主要發(fā)生在工作面上方巖層約為500 mm以下,隨著工作面推進(jìn),上覆偽頂、直接頂逐漸垮落并出現(xiàn)離層。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),聲發(fā)射事件逐漸增多,聲發(fā)射定位逐漸往右擴(kuò)展,這是因?yàn)楦矌r裂隙之間互相貫通,隨著垮落高度的增加聲發(fā)射事件也隨之增加。繼續(xù)回采,開采擾動引發(fā)的覆巖下沉發(fā)育至模型頂部,并出現(xiàn)了聲發(fā)射事件定位,回采過程中聲發(fā)射定位主要集中在破斷線位置處。達(dá)到充分采動之后,在工作面繼續(xù)向前推進(jìn)的過程中,模型頂部下沉盆地進(jìn)行前移,產(chǎn)生較多的聲發(fā)射事件,裂隙角不斷前移,隨著工作面的推進(jìn)破斷線也隨之前移,巖層在斷裂時候釋放較大能量,聲發(fā)射事件主要集中在開采前方的破斷線附近。

圖6 下組煤層開采聲發(fā)射特征

5 結(jié) 語

1) 根據(jù)新景煤礦地質(zhì)條件建立相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?分析了開挖條件下覆巖裂隙帶的發(fā)育規(guī)律,8號煤開挖過程中垮落帶呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢,9號煤開采過程中垮落帶呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,最終形成較大的“梯形”垮落形態(tài)。

2) 通過對覆巖離層量進(jìn)行分析,8號煤回采結(jié)束,非對稱性破斷現(xiàn)象明顯。整體的下沉規(guī)律為“梯形”分布,內(nèi)部發(fā)育倒“V”形分布的非對稱性離層破斷。9號煤回采結(jié)束后,覆巖位移云圖整體上呈現(xiàn)出“M”形,垮落形態(tài)相較于上層煤外錯。

3) 8號煤開采過程中,聲發(fā)射定位被圈在呈“梯形”范圍之內(nèi),倒“V”形區(qū)域內(nèi)的覆巖聲發(fā)射振鈴數(shù)較多,聲發(fā)射定位沿著“梯形”的右腰線和上頂邊繼續(xù)擴(kuò)展。9號煤回采過程中,聲發(fā)射定位主要集中在破斷線位置處。達(dá)到充分采動之后,模型頂部下沉盆地進(jìn)行前移,產(chǎn)生較多的聲發(fā)射事件。