曾一鳴(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046205)

薄基巖工作面開(kāi)采物理相似模擬研究

曾一鳴
(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046205)

對(duì)某煤礦薄基巖工作面取樣，進(jìn)行覆巖巖性分析及巖石物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，同時(shí)對(duì)頂板覆巖結(jié)構(gòu)做鉆孔窺視分析，以此來(lái)研究薄基巖回采巷道的穩(wěn)定性影響因素；通過(guò)物理相似模擬試驗(yàn)，研究薄基巖工作面開(kāi)采過(guò)程中覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律，得出薄基巖區(qū)域工作面覆巖巖層整體性差，覆巖垮落類似于整體彎曲下沉，覆巖懸而不落。該礦21406工作面薄基層覆巖垮落高度約為正常基巖的2.1倍，21203工作面薄基巖覆巖垮落高度約為正常基巖的1.8倍。該結(jié)論可為該礦薄基巖工作面巖層控制提供指導(dǎo)。

薄基巖工作面；覆巖結(jié)構(gòu)分析；物理模擬；對(duì)比分析

在我國(guó)，許多礦區(qū)都存在薄基巖地質(zhì)條件的煤層，如神東礦區(qū)、永城礦區(qū)、濟(jì)寧礦區(qū)等[1-3]. 目前的研究主要集中在薄基巖工作面開(kāi)采沉陷規(guī)律[4]、防水煤柱留設(shè)等[5]. 本文針對(duì)某礦特定條件，通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)，研究了常規(guī)工作面和薄基巖工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律，對(duì)比分析了二者的不同，為該礦薄基巖工作面巖層控制提供指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

某煤礦21406工作面及21203工作面均含有厚松散層薄基巖，兩工作面煤層平均厚度3 m，為中厚煤層；工作面煤層無(wú)大傾角，平均傾角7°，為近水平煤層。厚松散層薄基巖區(qū)內(nèi)其工作面煤層無(wú)特殊構(gòu)造，構(gòu)造發(fā)育簡(jiǎn)單。

為了研究該煤礦厚松散層薄基巖區(qū)工作面覆巖力學(xué)性質(zhì)，在該煤礦21406工作面Z4#鉆場(chǎng)設(shè)置覆巖取樣點(diǎn)。Z4#鉆場(chǎng)處于21406工作面中間巷，距巷道口440 m. 其巖芯取樣地點(diǎn)見(jiàn)圖1. 巖芯鉆孔位置、長(zhǎng)度及角度見(jiàn)表1. 薄基巖段頂?shù)装逶嚇恿W(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

根據(jù)該礦薄基巖覆巖取樣及力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，厚松散層薄基巖區(qū)覆巖主要為泥巖，巖層均較薄，其覆巖單層最大厚度低于4 m，且強(qiáng)度偏低，其覆巖抗壓強(qiáng)度最大僅為21.79 MPa，薄基巖區(qū)工作面覆巖不能形成穩(wěn)定的砌體梁結(jié)構(gòu)，故其不具備支撐上覆松散層重量的能力。

圖1 厚松散層薄基巖覆巖巖芯取樣位置圖

表1 巖芯鉆孔位置、長(zhǎng)度及角度表

2 模擬計(jì)算結(jié)果分析

本文物理模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的模型為平面應(yīng)力模型，按照研究原型的幾何尺寸，確定物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽玳L(zhǎng)5 000 mm×高1 700 mm×寬300 mm. 考慮實(shí)驗(yàn)架的邊界條件影響，模型工作面只開(kāi)挖中部4 000 mm范圍，兩端各留設(shè)500 mm的邊界影響區(qū)域，中間留設(shè)的隔離煤柱長(zhǎng)420 mm，即模型模擬的工作面的開(kāi)采長(zhǎng)度為358 m；該模型工作面模擬煤層厚度3 m、底板厚度為18 m，覆巖厚度為149 m. 模擬工作面的最大埋深為410 m，原巖的垂直應(yīng)力為10.25 MPa，物理模型沒(méi)有設(shè)計(jì)鋪設(shè)至地表面，還有厚度261 m的覆巖松散層未模擬，模型還需外部再加載0.039 MPa的垂直應(yīng)力。

表2 薄基巖段頂?shù)装逶嚇恿W(xué)參數(shù)表

礦井實(shí)際地質(zhì)條件中，工作面頂板上覆巖層從正常基巖區(qū)到薄基巖影響區(qū)的地質(zhì)條件存在一個(gè)漸變過(guò)程，因而，整個(gè)模型鋪設(shè)時(shí)分為正?；鶐r區(qū)模擬段、過(guò)渡區(qū)模擬段和薄基巖影響區(qū)模擬段、過(guò)渡區(qū)模擬段、正?；鶐r區(qū)模擬段共5個(gè)部分。其中過(guò)渡區(qū)模擬段又劃分為30 m過(guò)渡區(qū)模擬段以及45 m過(guò)渡區(qū)模擬段。薄基巖區(qū)留設(shè)42 m保護(hù)煤柱(圖2中虛線標(biāo)示區(qū)域)。模型尺寸示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 某煤礦厚松散層薄基巖物理模擬模型設(shè)計(jì)圖

該礦物理模擬模型圖見(jiàn)圖3. 模型21406工作面研究區(qū)域在第2次回采移架后，直接頂即在支架后方產(chǎn)生2 m的離層，同時(shí)，基本頂在支架后方產(chǎn)生3 m的離層；研究區(qū)域進(jìn)行第3次的回采移架后，直接頂出現(xiàn)了初次跨落，其跨落長(zhǎng)度為11 m，此時(shí)，基本頂離層延伸擴(kuò)展到14 m，基本頂在支架后方產(chǎn)生0.5 m裂隙，見(jiàn)圖4. 模型21203工作面研究區(qū)域進(jìn)行第3次回采移架后，直接頂出現(xiàn)初次跨落，其跨落長(zhǎng)度為5 m，見(jiàn)圖5.

圖3 某礦物理模擬模型圖

圖4 21406工作面直接頂初次垮落圖

圖5 21203工作面直接頂初次跨落圖

隨著工作面回采長(zhǎng)度的不斷增加，模型21406工作面研究區(qū)域在第5次開(kāi)采后(工作面向前開(kāi)采到約30 m)，基本頂顯現(xiàn)出彎曲下沉的現(xiàn)象，此時(shí)，基本頂離層長(zhǎng)度延伸到24 m，支架后方基本頂裂隙擴(kuò)展到1.3 m，出現(xiàn)了跨落，其跨落長(zhǎng)度為12 m；在第6次開(kāi)采后(工作面向前開(kāi)采到約35 m)工作面基本頂發(fā)生跨落，此為初次垮落，其跨落步距為22 m，此時(shí)覆巖離層發(fā)育到煤層覆巖第3層，細(xì)粒砂巖層，長(zhǎng)25 m，見(jiàn)圖6. 對(duì)于21203工作面研究區(qū)域，煤層回采過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的基本頂初次跨落跡象，在回采薄基巖影響區(qū)的過(guò)程中，該工作面頂板表現(xiàn)出彎曲下沉，頂板雖然明顯離層，但懸而不掉，見(jiàn)圖7.

圖6 21406工作面基本頂初次跨落圖

圖7 21203工作面基本頂離層彎曲圖

隨著工作面不斷向前開(kāi)采，工作覆巖裂隙繼續(xù)向上發(fā)育。在第7次回采后，21406工作面研究區(qū)域工作面覆巖第3層頂板細(xì)粒砂巖層發(fā)生跨落，跨落步距29 m；而21203工作面研究區(qū)域覆巖發(fā)生彎曲下沉，煤層頂板鋁質(zhì)泥巖層出現(xiàn)下沉，與上覆巖層產(chǎn)生較大離層。當(dāng)?shù)?次回采后，21406工作面研究區(qū)域的基本頂出現(xiàn)周期跨落，其跨落步距為10 m；而21203工作面研究區(qū)域煤層頂板的離層發(fā)育到煤層頂板覆巖18 m處，長(zhǎng)15 m，見(jiàn)圖8，9.

圖8 21406工作面第8次回采圖

圖9 21203工作面第8次回采圖

在第9次回采后，21406工作面研究區(qū)域煤層覆巖第5層頂板發(fā)生跨落，距煤層高度15 m，跨落的長(zhǎng)度為25 m，此時(shí)，頂板跨落角度約為61°，工作面支架后方產(chǎn)生了部分微小裂隙，距煤層頂板高度21 m處產(chǎn)生微小的離層，離層長(zhǎng)度約為8 m；21203工作面研究區(qū)域工作面支架上方產(chǎn)生大量裂隙，頂板跨落角73°，離層發(fā)育到煤層頂板上方松散層，其在煤層頂板上方25 m、28 m、32 m處出現(xiàn)離層，分別長(zhǎng)28 m、25 m、10 m，其中，28 m處頂板離層較大。見(jiàn)圖10，11.

圖10 21406工作面第9次回采圖

圖11 21203工作面第9次回采(開(kāi)挖50 m)圖

在第10次回采后，21406工作面研究區(qū)域離層發(fā)育到煤層上方31 m處，長(zhǎng)17 m，此時(shí)，煤層頂板覆巖高度27 m處出現(xiàn)較大離層，離層長(zhǎng)度為20 m，頂板跨落角為61°；21203工作面研究區(qū)域出現(xiàn)整體切落，巖層之間無(wú)法形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，頂板離層進(jìn)一步擴(kuò)大，其中32 m高度離層長(zhǎng)度發(fā)展到18 m，此時(shí)，頂板跨落角為75°，分別見(jiàn)圖12，圖13.

圖12 21406工作面第10次回采圖

圖13 21203工作面第10次回采圖

當(dāng)?shù)?7次回采后，21406工作面研究區(qū)域工作面上方離層發(fā)育至工作面上方36 m，長(zhǎng)20 m；21203工作面研究區(qū)域采場(chǎng)后方的采空區(qū)覆巖離層發(fā)育至工作面覆巖高度37 m處，離層長(zhǎng)度為10 m，分別見(jiàn)圖14，圖15.

圖14 21406工作面第17次回采(開(kāi)挖90 m)圖

圖15 21203工作面第17次回采(開(kāi)挖90 m)圖

在第25次回采后，21406工作面研究區(qū)域工作面上方42 m處出現(xiàn)較大裂隙和離層，其發(fā)育高度已達(dá)到松散層；而21203工作面研究區(qū)域工作面上方離層發(fā)育至38 m. 薄基巖段的開(kāi)采過(guò)程中，直接頂、基本頂及上覆巖層在工作面的回采影響下，巖層整體性較差，垮落步距減小，難以形成穩(wěn)定的頂板承載結(jié)構(gòu)，不能支撐上覆巖層的重量。見(jiàn)圖16，17.

圖16 21406工作面第25次回采(開(kāi)挖130 m)圖

圖17 21203工作面第25次回采(開(kāi)挖130 m)圖

從以上分析可以看出，薄基巖段工作面回采過(guò)程中，在3次回采后，基本頂便發(fā)生斷裂，頂板垮落步距并不明顯，在采煤移架之后，頂板巖層隨即產(chǎn)生裂隙，頂板離層現(xiàn)象更為明顯。

從巖層回采時(shí)的離層高度來(lái)看，對(duì)比模型前9次回采，正?；鶐r段的巖層離層發(fā)育至工作面上方約21 m處，而薄基巖段巖層離層發(fā)育至工作面上方約32 m處。同時(shí)，正?；鶐r段工作面上覆巖層完整性較好，可以形成一定的承載結(jié)構(gòu)，巖層垮落遠(yuǎn)滯后于工作面的回采過(guò)程；薄基巖段的工作面頂板巖層整體性差，在回采工序結(jié)束后，頂板在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生離層垮落，穩(wěn)定性差。

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，相較于正?；鶐r回采，薄基巖區(qū)域工作面覆巖巖層整體性較差，垮落步距小，跨落高度高，難以形成穩(wěn)定的頂板承載結(jié)構(gòu)支撐上覆巖層重量，其頂板跨落角較大，覆巖跨落更類似于整體彎曲下沉，覆巖懸而不斷。

2) 對(duì)于21406工作面而言，其薄基巖覆巖跨落高度約為正?；鶐r的2.1倍，而對(duì)于21203工作面而言，其薄基巖覆巖跨落高度約為正常基巖的1.8倍。

[1] 孟凡非，浦 海，陳家瑞，等.基于顆粒離散元的薄基巖裂隙擴(kuò)展規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2017(02):421-428.

[2] 賈后省，馬念杰，趙希棟.淺埋薄基巖采煤工作面上覆巖層縱向貫通裂隙“張開(kāi)—閉合”規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào),2015(12):2787-2793.

[3] 王海波.司馬煤礦薄基巖導(dǎo)裂帶高度主控因素研究[J].山西焦煤科技,2017(04):12-15+35.

[4] 李 磊.榆林礦區(qū)淺埋深厚土層薄基巖煤層開(kāi)采覆巖破壞規(guī)律研究[J].煤礦開(kāi)采,2017(03):62-64+103.

[5] 張永剛，李運(yùn)江，劉延欣，等.厚松散層薄基巖下煤柱留設(shè)類型轉(zhuǎn)變研究[J].煤炭技術(shù),2017(05):63-65.

ResearchonPhysicalSimilaritySimulationinThinBedrockWorkingFace

ZENGYiming

By sampling thin bedrock in a coal mine working face, analysis and test for physical and mechanical parameters of rock lithology are conducted, together with the research for the roof strata structure by boring hole, so to have a detail study on the factors that influence the stability of thin bedrock roadway.

Thin bedrock working face; Overlying rock structure analysis; Physical simulation; Comparison and analysis

·試驗(yàn)研究·

2017-07-24

曾一鳴(1984—)，男，山西長(zhǎng)治人，2017年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，工程碩士，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作(E-mail)ghnyzym@163.com

TD323

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1672-0652(2017)10-0026-04