李亞鵬

（山西保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西 靈石 031300）

本文以相似材料模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)對(duì)鐵新煤礦9301工作面9#煤層進(jìn)行開采，對(duì)采動(dòng)覆巖的破壞進(jìn)行研究分析。分析所得結(jié)論可以對(duì)以后類似礦山開采起引導(dǎo)作用。

1 工程概況與相似模擬試驗(yàn)理論及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 工程概況

鐵新煤礦屬于保利能源控股有限公司的下屬煤礦，在煤炭資源整合時(shí)劃歸中煤集團(tuán)接管。該礦位于山西省晉中市，距離市區(qū)10km。9301工作面對(duì)應(yīng)地表位置為太西村北面，距該村160～1100m，地面多為山地和農(nóng)田。礦井井下北部為井田邊界，相鄰大佛寺煤礦，東部為9303工作面，南部為三采區(qū)三條大巷（回風(fēng)巷、皮帶巷、軌道巷），西部未開采。礦井年生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t，礦井保有儲(chǔ)量7000萬(wàn)t左右，煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)主焦煤。

1.2 試驗(yàn)裝置及相似模擬模型設(shè)計(jì)

通過(guò)大量對(duì)帶壓開采資料、文章的查詢和對(duì)本礦實(shí)際情況的分析整理，可以確定本次對(duì)鐵新煤礦帶壓開采下覆巖移動(dòng)、破壞規(guī)律研究所需巖層、煤層各參數(shù)及相似模擬的材料配比如表1、2所示。

根據(jù)相似模擬理論、礦山巖層實(shí)際賦存狀況、相似模擬配比關(guān)系及試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)原則，可以確定本次帶壓開采下覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律的研究試驗(yàn)所需材料有細(xì)河沙、水泥、石膏、硼砂、云母粉及水，其中河沙和水泥及石膏是本次試驗(yàn)的主要材料。河沙作為骨料，主要起支撐作用，也是巖層構(gòu)成的主要成分。水泥和石膏主要作為膠結(jié)材料，但水泥相對(duì)石膏而言配比用量較少，因?yàn)樗嗟哪z結(jié)效果比石膏要大，如配比數(shù)量較大時(shí)覆巖不容易發(fā)生離層和垮落現(xiàn)象，石膏相對(duì)配比較大，可以加大河沙的凝固狀態(tài)。本次試驗(yàn)中所用的硼砂主要作用是對(duì)河沙、水泥、石膏混合物起緩凝效果。云母粉起分層作用，是為更好地模擬表1各種巖層在開采中的離層現(xiàn)象，不至于發(fā)生整體垮落現(xiàn)象。水是相似模擬試驗(yàn)必不可少的物品，主要是為了使各種混合物能夠達(dá)到合適的濕度，在模型架上能夠形成與礦山相類似的形狀。當(dāng)所有材料混合后加總材料重量1/10的水在小型攪拌機(jī)里進(jìn)行攪拌，當(dāng)攪拌均勻后對(duì)材料進(jìn)行人工鋪裝。

表1 煤層頂、底板圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)以及材料配比

表2 煤層、頂?shù)装寮皣鷰r巖石力學(xué)參數(shù)

通過(guò)相似模擬理論及相似定律可以確定所要研究的對(duì)象與實(shí)際工程量在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)現(xiàn)象上需要滿足對(duì)應(yīng)量所組成的數(shù)學(xué)物理方程相同，即所比是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)在相似模擬試驗(yàn)中稱為相似常數(shù)，即：

原型物理量/ 模型物理量=相似常數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件和本次所要研究的內(nèi)容可以確定本次試驗(yàn)所采用的是二維相似模擬試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)為1800mm，寬為200mm，高為2000mm。根據(jù)相似理論和相似定律所確定的相似常數(shù)可以得出本次試驗(yàn)的相似常數(shù)為200，因?yàn)橄嗨颇M中位移常數(shù)與相似常數(shù)是一致的，由此可以得出本次相似模擬中位移相似常數(shù)也為200。所搭建模型的幾何尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）2m×0.2m×1.32m，相當(dāng)于模擬了150m厚的巖層，其上部未模擬出的巖層利用可讀液壓千斤頂來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終完成礦山整體相似材料模擬模型的制作。

試驗(yàn)過(guò)程中巖層移動(dòng)是通過(guò)全站儀和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的，而巖層破壞及垮落狀況是通過(guò)模型照片來(lái)呈現(xiàn)的。如圖1模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖所示，模型正前部均勻分布的白色點(diǎn)為本次試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理狀況，且達(dá)到研究的效果，本次相似模擬試驗(yàn)選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)為第一排和第四排，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)從右向左、從下到上依次為1-3、1-4、……、1-11、4-6、……4-9。

圖1 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)對(duì)大量相似模擬試驗(yàn)資料和礦山實(shí)際開采狀況的考察，并且為了使得本次試驗(yàn)與實(shí)際工程更加相符和消除試驗(yàn)過(guò)程中可能存在的邊界效應(yīng)，所以，通過(guò)以往大量的相似模擬試驗(yàn)論證，決定本次試驗(yàn)從模型右側(cè)進(jìn)行開切眼，開切眼位置位于模型右側(cè)邊界250mm（50m）處。模型模擬煤層開采采用人工開挖，每次開挖長(zhǎng)度50mm（10m）。因此根據(jù)上覆巖層所標(biāo)記的第一排和第四排監(jiān)測(cè)點(diǎn)在開采過(guò)程中位移變化情況，來(lái)反映覆巖在豎直方向變化情況。

2.2 結(jié)果分析

由圖1所示，在模型煤層右側(cè)250mm（50m）處進(jìn)行開切眼，煤層從右向左依次進(jìn)行開挖。在最初采掘工作面逐步向左推進(jìn)下，位于煤層上方的巖層由于受下方煤層的支撐和上部覆巖拉伸力的作用基本不發(fā)生移動(dòng)破壞狀況，在采掘工作面不斷向左推動(dòng)下，煤層上方的覆巖逐步發(fā)生離層破壞現(xiàn)象，并且離層現(xiàn)象隨采掘工作面長(zhǎng)度的加大而不斷發(fā)生破壞反應(yīng)。當(dāng)采掘工作面向左推進(jìn)到250mm（50m）時(shí)，位于煤層上方的覆巖發(fā)生第一次離層破壞垮落現(xiàn)象，即初次來(lái)壓現(xiàn)象，覆巖來(lái)壓長(zhǎng)度170mm（34m），覆巖來(lái)壓厚度20mm（4m），煤層上方的覆巖在第一次來(lái)壓下垮落比較完整，且來(lái)壓現(xiàn)象與實(shí)際礦山工程基本相同。通過(guò)第一次來(lái)壓現(xiàn)象可以看出，帶壓開采和正常煤層開采在開采初期煤層上方的覆巖移動(dòng)破壞狀況是基本相同，不存在大的差異。

隨著采掘工作面繼續(xù)向左推進(jìn)，由于煤層長(zhǎng)度的加大從而致使后方采空區(qū)裸露范圍也在不斷加大。隨著采掘工作面繼續(xù)向左推進(jìn)，在采掘推力、煤層上方覆巖的重力和來(lái)自底板下方向上的推力作用下，采掘工作面最前端的覆巖不斷發(fā)生移動(dòng)破壞狀況，周而復(fù)始會(huì)發(fā)生斷裂垮落現(xiàn)象，形成新的來(lái)壓現(xiàn)象。隨著采掘工作面持續(xù)向前推進(jìn)，采空區(qū)裸露范圍不斷加大，底板會(huì)發(fā)生向上推起現(xiàn)象。隨著采掘工作面向左繼續(xù)推進(jìn)，位于采空區(qū)上方的覆巖移動(dòng)破壞狀況明顯大于之前的狀況（如圖2所示）。當(dāng)工作面向左推進(jìn)到1400mm（280m）時(shí)，開采終止后，在采掘工作面共發(fā)生9次來(lái)壓現(xiàn)象，平均周期來(lái)壓長(zhǎng)度為127mm（25.5m）。并且在工作面推進(jìn)到1400mm（280m）時(shí)，采空區(qū)上方的覆巖移動(dòng)破壞基本發(fā)展到地表，覆巖垮落的左跨落角為55°，右跨落角為57°，垮落基本呈彎曲拱形狀，與實(shí)際工程基本相符合（如圖3所示）。

通過(guò)上述可知，隨著采空區(qū)裸露范圍不斷加大，上部垮落的覆巖不斷壓實(shí)，會(huì)形成新的破壞現(xiàn)象。

圖2 覆巖不同大小的離層裂隙

圖3 開采終止之后覆巖破壞狀況

隨著煤層逐步從右向左開采，受開采擾動(dòng)和底板向上的擠壓力影響，煤層上方的覆巖逐步發(fā)生離層垮落現(xiàn)象，覆巖垮落高度會(huì)急速加劇。隨煤層開采長(zhǎng)度加大，覆巖垮落呈直線上升趨勢(shì)。離層垮落現(xiàn)象呈離層-跨落-離層狀況，且不斷發(fā)生往復(fù)。

通過(guò)圖4、5可以得出，在煤層開采到1240mm（248m）時(shí)，煤層上方的覆巖受采掘影響，垮落現(xiàn)象逐步延伸到了地表，但地表還沒完全發(fā)生沉降。由第四排監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，沉降數(shù)據(jù)不是很大，但是一直在發(fā)生沉降變化，直到煤層開采到140cm（280m）時(shí)，沉降基本發(fā)生到了地表。因此開采最終最大沉降值為37.68mm（7.536m）。

圖4 第1排垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

圖5 第4排垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

3 結(jié)論

（1）當(dāng)采掘工作面向左推進(jìn)到250mm（50m）時(shí)，位于煤層上方的覆巖發(fā)生第一次離層破壞垮落現(xiàn)象，即初次來(lái)壓現(xiàn)象，覆巖來(lái)壓長(zhǎng)度170mm（34m），覆巖來(lái)壓厚度20mm（4m）。

（2）當(dāng)煤層向左推進(jìn)到1400mm（280m）時(shí)，共發(fā)生9次來(lái)壓現(xiàn)象，平均周期來(lái)壓長(zhǎng)度為127mm（25.5m），覆巖垮落的左垮落角為55°，右垮落角為57°。

（3）煤層開采到140cm（280m）時(shí)，沉降基本發(fā)生到了地表，因此開采最終最大沉降值為37.68mm（7.536m）。