孫建文

(山西圣天寶地清城煤礦有限公司， 山西 陽泉市 045100)

相似材料模擬是以相似準(zhǔn)則為理論依據(jù)，利用人工材料配比，按一定比例縮小做成與實(shí)際原型巖石力學(xué)性質(zhì)成分相類似的模型。然后在模型中模擬回采工作面實(shí)際情況，根據(jù)觀察模型的變化情況對(duì)回采工作面變形、位移、破壞和巖層移動(dòng)等情況加以推測(cè)和研究，這種方法稱為相似材料模擬方法[1]。相似模擬實(shí)驗(yàn)具有操作比較簡(jiǎn)單、周期較短、可控制性高、實(shí)驗(yàn)可重復(fù)進(jìn)行等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。吳四圪堵煤礦6#煤頂板及上覆巖層難以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)。因此，通過相似模擬實(shí)驗(yàn)來預(yù)測(cè)吳四圪堵煤礦6#煤層隨工作面推進(jìn)，其頂煤及上覆巖層的變形、移動(dòng)、垮落的情況，進(jìn)而得出上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其結(jié)果對(duì)提高工作面的安全生產(chǎn)和采出率具有重要指導(dǎo)作用。

1 模型的建立

模擬吳四圪堵煤礦6#煤層情況：6#煤層位于太原組下部(C2 t)，煤炭開采面積約為31．14 km2，煤層總厚為0.51～18.15 m，平均7.01 m，可采厚度為1.35～18.50 m，平均6.08 m。在井田東南部有斷距較大的斷層，使煤層沿?cái)鄬訑嚅_，下盤煤層受其影響未揭露[2]。吳四圪堵煤礦綜合柱狀圖見圖1。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，選擇立式平面模型架較為合理，其尺寸大小為5000 mm×300 mm×2000 mm(長(zhǎng)×寬×高)。模型采用自重加載和杠桿加載方式。按照模型尺寸及其他條件綜合計(jì)算分析，并以相似理論為基準(zhǔn)確定相似系數(shù)：模型的幾何相似比(αL)為100，視密度相似比(αr)為1.6，時(shí)間相似比(αt)為10，應(yīng)力相似比(ασ)為160。

圖1 吳四圪堵煤礦綜合柱狀圖

2 材料配比

按6#煤層原巖應(yīng)力參數(shù)和相似理論為依據(jù)，計(jì)算得出模型各層材料不同的配比方案，經(jīng)過多次方案對(duì)比，得到模型各層材料最佳配比方案。

本次實(shí)驗(yàn)骨料采用石英砂，膠結(jié)物采用石灰、石膏和水泥，按照材料比配表所確定各層材料用量，為使實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)際情況，在所配材料中加1%的硼砂作為緩凝劑，然后將材料攪拌均勻，再添加1/9的水，分層倒入模型架中，按實(shí)驗(yàn)所需的視密度要求鋪平，壓實(shí)[3]。采用水壓致裂法[4]對(duì)各巖層的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，見表1。

3 測(cè)點(diǎn)布置

裝填模型過程中，將測(cè)定模型內(nèi)部壓力的BW-5型壓力盒按設(shè)計(jì)要求安設(shè)好，并與YJ-5型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。然后在煤層底板上布置模型壓力測(cè)點(diǎn)，見圖2。模型裝填完畢后把模板拆下，吳四圪堵煤礦6#煤層綜采工作面模型制作完畢，見圖3。模型制作好后，打開晾干10 d進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先將壓力測(cè)點(diǎn)與YJ-5型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接，然后調(diào)節(jié)儀器，記錄初始讀數(shù)[5]。隨著工作面的推進(jìn)，對(duì)所布置測(cè)定的壓力變化量和模型各階段不同的移動(dòng)情況進(jìn)行拍照和記錄。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 隨工作面推進(jìn)頂煤的垮落規(guī)律

根據(jù)所做模型幾何相似比100，工作面開切眼實(shí)際開挖位置在模型中為距模型邊緣50 cm處，實(shí)際為50 m。按照實(shí)際工作面1 d的推進(jìn)度，每隔2.4 h(實(shí)際為24 h)割煤一次，其高度為3 m，深度為4.8 m。

表1 6#煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)

圖2模型壓力測(cè)點(diǎn)布置

圖3 吳四圪堵煤礦綜放工作面相似材料模型全貌

頂煤出現(xiàn)初次垮落在距開切眼12 m處，其垮落高度為4.5 m，垮落步距為13 m。此后當(dāng)工作面每推進(jìn)長(zhǎng)度為4.5 m左右時(shí)，煤頂隨工作面開采的過程同時(shí)冒頂，冒高為3 m。

工作面推進(jìn)20 m時(shí)，老頂初次來壓，煤層上方直接頂垮落，在此之前工作面后方頂煤出現(xiàn)大面積垮落，垮落高度7～9 m。老頂初次來壓以后，隨著工作面推進(jìn)，工作面后方頂煤隨采隨冒，冒高為5 m，在模型老頂周期來壓前(周期來壓步距為7～14 m)，9 m厚煤層出現(xiàn)完全垮落，煤層垮落角度開切眼側(cè)47°，工作面煤壁側(cè)40°。

4.2 煤層頂板上覆巖層的垮落規(guī)律

巖頂初次垮落在距開切眼25 m處，其垮落高度(煤層上方巖層)為8 m，其垮落跨度為15 m；當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，工作面老頂2次垮落，高度(煤層上方巖層)5 m，其垮落跨度10 m。

隨后工作面每推進(jìn)7～14 m，老頂出現(xiàn)周期來壓，隨著工作面的推進(jìn)，上覆巖層垮落高度逐漸增大，當(dāng)工作面推進(jìn)到132 m時(shí)，即老頂?shù)?次來壓時(shí)，巖層垮落高度為54 m，上方垮落跨度為75 m，垮落巖層最大空隙為8 m，緊接著上方老頂出現(xiàn)連續(xù)垮落現(xiàn)象，垮落高度為15 m, 巖層垮落角開切眼側(cè)為58°，工作面?zhèn)葹?5°，見圖4。

4.3 工作面采出率及其分析

當(dāng)采場(chǎng)工作面從開切眼到開采12 m時(shí)，工作面采出率為20%；隨著開采的繼續(xù)，工作面上方頂煤隨采隨冒，當(dāng)頂煤冒落高度4.5 m左右時(shí)，工作面采出率為60%；當(dāng)老頂初次來壓和周期來壓前，煤頂冒落高度平均8 m，工作面采出率為84%。

4.4 工作面前方支承應(yīng)力測(cè)定結(jié)果及分析

在工作面推進(jìn)132 m過程中，通過1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)工作面前方支承應(yīng)力進(jìn)行了觀測(cè)，最大支承應(yīng)力集中系數(shù)范圍在1.55～1.88之間，支承應(yīng)力峰值點(diǎn)距離工作面煤壁16～20.8 m的位置。工作面前方應(yīng)力增高范圍為24～33.6 m，見圖5。

圖4 工作面推進(jìn)到158.4 cm時(shí)，老頂8次來壓

圖5 工作面前方支承應(yīng)力測(cè)定曲線

5 結(jié) 論

(1) 根據(jù)吳四圪堵煤礦6#煤層巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定，其開采工作面直接頂屬于I類不穩(wěn)定頂板，老頂屬于II級(jí)來壓顯現(xiàn)明顯類型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，工作面上覆巖層隨采動(dòng)影響，呈現(xiàn)明顯而且穩(wěn)定的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。

(2) 頂煤在出現(xiàn)初次垮落時(shí)，垮落高度較小，步距較小，上覆巖層移動(dòng)量?。浑S著工作面推進(jìn)距開切眼16.5 m時(shí)，工作面后方煤頂隨采隨冒，上覆巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，移動(dòng)量逐漸增大，煤層頂板初次垮落；當(dāng)老頂初次來壓以后，煤層頂板極不穩(wěn)定且比較破碎，垮落步距增大，上覆巖層自下而上出現(xiàn)斷裂具有明顯的分層現(xiàn)象；當(dāng)老頂來壓8次時(shí)，深層老頂自下而上連續(xù)垮落并波及地表。

(3) 在工作面推進(jìn)過程中， 當(dāng)工作面從開切眼到推進(jìn)12 m前為工作面初采階段，本階段距離較短，工作面采出率較低，其余開采階段比較正常，平均采出率近似70%。根據(jù)研究分析，煤層開采前采用預(yù)注水軟化頂板或是爆破預(yù)裂頂板，以減小頂煤和頂板初次來壓步距等措施來提高回采率。

(4) 工作面前方支承壓力降低區(qū)離煤壁的距離為5 m，從此到煤壁深處應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，直至達(dá)到峰值，其峰值位置深入煤體約16 m，工作面前方應(yīng)力增高范圍為24～33.6 m。

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