李乃錄 周偉

1.山東省新汶礦業(yè)集團(tuán)水簾洞煤礦，陜西 咸陽 712000；2.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001

為了深入研究水簾洞煤礦特厚煤層開采時(shí)覆巖破壞規(guī)律，科學(xué)選定瓦斯抽排鉆孔位置和瓦斯抽排巷道位置，實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采、合理開采，在對(duì)工作面地質(zhì)特征、工程地質(zhì)特征和開采技術(shù)條件分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了典型相似材料模擬試驗(yàn)研究。模型原型按水簾洞煤礦煤巖柱狀，采厚和放煤高度，以及開采參數(shù)參照礦方作業(yè)規(guī)程。同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

1 采場(chǎng)覆巖裂隙的相似材料模擬試驗(yàn)

1.1 模型的設(shè)計(jì)與制作

模擬工作面煤層厚度11.5m，埋藏深度412m，直接頂為6.22m厚的粉細(xì)砂巖，老頂為2.91m的中細(xì)砂巖，煤層底板有3.28m的砂質(zhì)泥巖與1.2m的鋁質(zhì)泥巖組成，其下為6m細(xì)砂巖。

平面模型試驗(yàn)架長(zhǎng)度3m，寬0.3m，模型高度1.2m（考慮加載高度），因此，取模型與原型的幾何相似比為：Cl＝1/100，取容重相似比為：Cγ＝0.6，取應(yīng)力相似比為Cσ＝Cγ×C1＝0.6×1/100＝0.006，取時(shí)間相似比al＝1/12，即模擬試驗(yàn)中的2個(gè)小時(shí)相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)的一天。

本次相似材料模擬試驗(yàn)[1-2]材料，骨料：選用顆粒大小為0.15mm～0.5mm河砂；膠結(jié)料：選用石灰宜采用新鮮燒透的灰塊，石膏為熟石膏；

分層材料：選用云母粉。改變骨料和膠結(jié)材料的成分，可以模擬不同類型的巖層。

相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿叭鐖D1所示。

圖1 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿?/p>

開采過程中應(yīng)力、位移的變化是由計(jì)算機(jī)控制的YJD－27靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀數(shù)控自動(dòng)巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集應(yīng)變信息，同時(shí)進(jìn)行拍照及頂板垮落過程的描述。模型加載：模型上部巖層的重力按均布載荷處理，杠桿加載系統(tǒng)見圖2所示。

圖2 模型杠桿加載系統(tǒng)

1.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 回采程序設(shè)計(jì)

整個(gè)模型開采近192個(gè)小時(shí)，相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)開采96天；模型停止開采后，繼續(xù)測(cè)試了24小時(shí)，直到巖層移動(dòng)穩(wěn)定以后，整個(gè)模型共測(cè)試了111次，持續(xù)216小時(shí)，相當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)108天。

1.2.2 裂斷巖梁運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程

裂隙帶中覆巖運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過程包括兩個(gè)階段：

1）第一次裂斷運(yùn)動(dòng)階段（即采場(chǎng)第一次來壓階段）

該發(fā)展階段自開切眼推進(jìn)開始，到裂隙帶中最上部一個(gè)“巖梁”第一次裂斷運(yùn)動(dòng)完成為止，為裂隙帶覆巖的第一次運(yùn)動(dòng)階段[3]，如圖3所示。

在該運(yùn)動(dòng)階段，隨著工作面的不斷推進(jìn)，覆巖運(yùn)動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大。從相似材料模擬試驗(yàn)的過程看，當(dāng)工作面推進(jìn)距離大約為工作面長(zhǎng)度1/4.1以上時(shí)，壓力拱向上擴(kuò)展到最高處，高度約100m多。在該運(yùn)動(dòng)階段工作面推進(jìn)的距離稱為裂隙帶覆巖第一次運(yùn)動(dòng)步距，一般與初次來壓步距基本相等。

2）正常運(yùn)動(dòng)階段

包括“破壞拱”最上部巖層第一次運(yùn)動(dòng)完成到回采工作面推進(jìn)結(jié)束的全部推進(jìn)過程[4](圖4)。在正常運(yùn)動(dòng)階段，“破壞拱”不再向上方巖層擴(kuò)展，保持恒定的高度隨工作面向前方推進(jìn)。

由試驗(yàn)分析可知，裂隙帶巖層[5-6]第一次運(yùn)動(dòng)階段包括“破壞拱”在工作面前方和上方兩個(gè)方向上逐漸擴(kuò)展的階段。當(dāng)?shù)谝淮芜\(yùn)動(dòng)階段結(jié)束后，“破壞拱”在工作面垂直方向上擴(kuò)展到最高處，然后進(jìn)入正常運(yùn)動(dòng)階段，“破壞拱”將只在工作面前方跳躍式向前擴(kuò)展。此時(shí)“破壞拱”拱頂為一近似水平線。

1.2.3 裂隙發(fā)育與應(yīng)力場(chǎng)

1）本項(xiàng)目采用相似材料模擬試驗(yàn)，對(duì)綜放工作面煤層覆巖破壞進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)和研究，獲得了良好的技術(shù)效果。經(jīng)分析研究得出，綜放工作面覆巖冒落帶高度45m～55m，冒高采厚比3.91～4.78，裂隙帶高度93.0m～100.7m，裂高采厚比8.1～8.8。

圖3 裂隙帶覆巖第一次運(yùn)動(dòng)階段

2）綜放采場(chǎng)超前支承壓力的峰值位置深入煤體距離約為10m～15m，在工作面前方30m范圍內(nèi)受超前支承壓力影響劇烈，而超前支承壓力影響范圍，可達(dá)工作面前方70m。

3）工作面前方煤層及離工作面不遠(yuǎn)的頂板巖層，壓力集中程度較高；隨著離煤層頂板垂直距離越大，上覆巖體內(nèi)應(yīng)力集中程度越小，垂直應(yīng)力的峰值位置，隨著巖層高度的增加有向煤壁后方移動(dòng)的趨勢(shì)。

4）覆巖離層主要出現(xiàn)在應(yīng)力卸壓區(qū)，在應(yīng)力集中區(qū)即工作面前方或煤柱外側(cè)不可能出現(xiàn)離層。

5）在工作面前方約30m至工作面煤壁，頂板下沉較為明顯，在工作面前方1～2m，頂板最大下沉速度可達(dá)到為3mm/d；從工作面煤壁到工作面后方50m，頂板下沉劇烈，在工作面后方10～20m處，頂板下沉速度達(dá)到最大，最大速度可達(dá)到471mm/d；在采空區(qū)后方50m到工作面后方80m，頂板運(yùn)動(dòng)基本緩和，頂板下沉速度最大為76mm/d，越接近80m處速度越??；在采空區(qū)后方80m以后，頂板運(yùn)動(dòng)基本趨于穩(wěn)定，下沉速度幾乎為0，采空區(qū)重新被壓實(shí)，應(yīng)力重新恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

6）距離煤層頂板不同位置的上覆巖層，其垂直位移量不同，離煤層頂板垂直距離愈大，其頂板位移量愈小，沿煤層頂部垂直向上，頂板位移量依次減小。越向上覆巖形成的離層間距越大。

7）在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，全面分析研究了水簾洞煤礦綜放煤層覆巖破壞的一般狀態(tài)、發(fā)展變化規(guī)律及其影響因素。結(jié)果表明，在綜放工作面的地質(zhì)開采條件下，煤層采厚、覆巖性質(zhì)結(jié)構(gòu)和工作面推進(jìn)速度，是影響覆巖破壞程度和發(fā)展高度的重要因素。它們的影響程度分別為：覆巖破壞程度和發(fā)展高度一般均隨采厚增減而增減。水簾洞煤礦綜放工作面覆巖其強(qiáng)度一般較高，覆巖破壞程度和高度亦將顯著增大。在其他條件相同時(shí)，工作面能否以較高速度連續(xù)推進(jìn)，對(duì)覆巖破壞有重大影響；保持工作面持續(xù)快速推進(jìn)，對(duì)抑制、減少覆巖破壞高度，至關(guān)重要[6]。

2 覆巖移動(dòng)變形高位鉆孔抽采效果測(cè)試

2.1 測(cè)試依據(jù)

采用鉆孔瓦斯抽采參數(shù)[8]變化來判定高位鉆孔抽采最佳位置。

2.2 測(cè)試地點(diǎn)

3801工作面以東50m處布置第一組高位鉆孔，與第一組高位鉆孔開孔位置相距30m布置第二組高位鉆孔，其具體參數(shù)見表1。

2.3 測(cè)試要求

高位鉆孔開孔位置與工作面相距40m時(shí)每天監(jiān)測(cè)高位鉆孔的瓦斯?jié)舛?、抽采?fù)壓和瓦斯抽采純量等參數(shù)。

2.4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)高位鉆孔進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果見表2所示。

表2 抽放參數(shù)測(cè)試一覽表

通過對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，距工作面11m左右范圍，即3801工作面上方50m左右范圍內(nèi)，由于受采動(dòng)影響，煤巖體處于破斷、冒落，此時(shí)抽放瓦斯?jié)舛认陆得黠@，濃度由24.5%下降到8%左右，抽放負(fù)壓由9.83kPa下降到7.3kPa，表明此區(qū)域范圍內(nèi)受采動(dòng)影響明顯，煤巖體處于破裂狀態(tài)，由此可以判定破斷、冒落上限為50m左右。這與實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬和數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合[9-11]。

圖4 裂隙帶覆巖正常運(yùn)動(dòng)階段

表1 高位鉆孔布置參數(shù)

3 小結(jié)

通過理論分析、實(shí)驗(yàn)室相似材料試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)綜合分析，水簾洞煤礦3801綜放工作面頂板煤巖層冒落帶上限范圍為40-55m，裂隙帶上限范圍為100m左右，8煤層鉆孔抽放半徑為3m。因此建議在對(duì)此類條件相似的工作面進(jìn)行瓦斯治理時(shí)，可采用頂板高抽巷，其高抽巷的布置位置為冒落帶上限范圍與裂隙帶的下限范圍內(nèi)[12]，即建議布置在距煤層頂板50m左右的范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明建議參數(shù)是合理的。

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