李嘉裕

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 概述

我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，目前大量礦井正在開(kāi)采受地質(zhì)構(gòu)造影響的煤炭資源，該類地質(zhì)條件下，若煤層較厚、采高較大，其頂板穩(wěn)定性明顯降低，面臨的直接問(wèn)題就是易出現(xiàn)直接頂切割冒頂現(xiàn)象，直接威脅到工作面的安全高效回采[1-3]。針對(duì)工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如懸臂梁、壓力拱、鉸接巖塊、傳遞巖梁、砌體梁、關(guān)鍵層等眾多理論假說(shuō)[4-6]。本文以煤峪口礦82002 大采高綜采面為工程背景，揭示大采高綜采面頂板破斷特征與覆巖活動(dòng)規(guī)律，為支架選型和工作面參數(shù)確定提供理論依據(jù)。

2 相似模擬方案

煤峪口礦412 盤區(qū)82002 工作面開(kāi)采11#煤層，工作面埋深296.1～318.9 m；煤層厚度4.0 m，含1～2 層夾矸；開(kāi)切眼寬度7.0 m，高度4.0 m；直接頂為2.0 m 厚的細(xì)砂巖，基本頂為8.0 m 厚的粗砂巖。模擬時(shí)，按比例（100:1）建立相似模擬模型，模型長(zhǎng)1 800 mm、高1 000 mm、寬160 mm，其中直接頂及上覆巖層厚度860 mm，等價(jià)于86 m 高度，上部施加869.53 kg配重等價(jià)工作面埋深300.0 m；模擬動(dòng)力相似比和時(shí)間相似比分別為1.7:1、10:1，監(jiān)測(cè)模型開(kāi)挖過(guò)程中的覆巖應(yīng)力和位移規(guī)律，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，測(cè)點(diǎn)共計(jì)8 層17 列，間距均為100 mm。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

3 頂板破斷特征與覆巖活動(dòng)規(guī)律

相似模擬試驗(yàn)工作面沿走向開(kāi)采，開(kāi)切眼寬度70.0 mm，等價(jià)于7.0 m，開(kāi)切眼高度40.0 mm，等價(jià)于4.0 m，每次開(kāi)挖50.0 mm，等價(jià)于工作面回采5.0 m。圖2給出了相似模擬結(jié)果，圖3給出了工作面開(kāi)挖1 200 mm（120.0 m）時(shí)的覆巖下沉曲線。當(dāng)工作面開(kāi)挖400 mm 時(shí)，工作面直接頂失穩(wěn)，發(fā)生初次垮落（高度20 mm）；當(dāng)工作面開(kāi)挖500 mm（50.0 m）時(shí)，工作面基本頂初次破斷，即垮落步距為500 mm（50.0 m），垮落高度約80 mm（8.0 m）；未破斷的基本頂巖層出現(xiàn)彎曲下沉，基本頂巖層垮落后，冒落矸石仍距上覆巖層約20 mm（2.0 m）；由于回采范圍較小，基本頂巖層的初次破斷尚未引起上覆巖層的劇烈活動(dòng)。隨著工作面繼續(xù)開(kāi)挖，基本頂巖層及其上覆巖層開(kāi)始出現(xiàn)離層，當(dāng)工作面開(kāi)挖至700 mm（70.0 m）時(shí)，基本頂巖層出現(xiàn)二次破斷，即垮落步距為200 mm（20 m），其上覆巖層變形量顯著增加；當(dāng)工作面開(kāi)挖至850 mm（85.0 m）時(shí)，即垮落步距為150 mm（15 m），基本頂巖層再次破斷，上覆巖層變形量繼續(xù)增加，并出現(xiàn)明顯彎曲下沉現(xiàn)象，此時(shí)采空區(qū)冒落矸石距未破斷頂板距離由20 mm減少至10 mm（即由2 m 減少至1 m）。當(dāng)工作面開(kāi)挖至1 050 mm（105.0 m）、1 200 mm（120.0 m）時(shí)，基本頂巖層出現(xiàn)破斷，垮落步距分別為200 mm、150 mm（即20 m 和15 m），至此采空區(qū)冒落矸石與未破斷頂板相互接觸，而上覆巖層仍存在離層現(xiàn)象。工作面開(kāi)挖1 200 mm（120.0 m）后，停止開(kāi)挖，模擬結(jié)束，此時(shí)，基本頂及其上覆巖層呈現(xiàn)倒臺(tái)階狀垮落。

圖2 相似模擬結(jié)果

圖3 工作面開(kāi)挖1 200 mm 時(shí)的覆巖下沉曲線

模型鋪設(shè)時(shí)采用應(yīng)變片標(biāo)定了應(yīng)力值，并實(shí)測(cè)了開(kāi)挖過(guò)程中的基本頂巖層應(yīng)力變化情況。當(dāng)工作面開(kāi)挖0～100 mm 時(shí)，開(kāi)挖范圍較小，應(yīng)力變化較小，覆巖變形較??；當(dāng)工作面開(kāi)挖400 mm 時(shí)，直接頂初次垮落，基本頂巖層小范圍變形，基本頂巖層局部應(yīng)力集中；當(dāng)工作面開(kāi)挖500 mm 時(shí)，基本頂巖層出現(xiàn)初次破斷，基本頂巖層出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約24 MPa；當(dāng)工作面開(kāi)挖700 mm時(shí)，基本頂巖層出現(xiàn)初次來(lái)壓，應(yīng)力值有所降低，應(yīng)力最大值約13 MPa；工作面開(kāi)挖至1 200 mm 時(shí)，基本頂巖層累積發(fā)生3 次周期來(lái)壓，采空區(qū)冒落矸石逐漸壓實(shí)，基本頂巖層內(nèi)應(yīng)力逐漸增高，此時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在工作面前方未開(kāi)挖煤體以及滯后工作面一定范圍內(nèi)的基本頂巖層，表明工作面位置存在一定的壓力拱結(jié)構(gòu)，承載開(kāi)挖擾動(dòng)形成的載荷。

4 現(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律分析

在煤峪口礦82002 大采高綜采面回采過(guò)程時(shí)監(jiān)測(cè)了工作面來(lái)壓情況，表1給出了10 個(gè)支架受力觀測(cè)站的礦壓數(shù)據(jù)。由表1可知，82002 大采高綜采面初次來(lái)壓步距在34.90～40.10 m 范圍內(nèi)，平均來(lái)壓步距37.08 m。綜采面初次來(lái)壓強(qiáng)度在21.52～28.86 MPa范圍內(nèi)，平均來(lái)壓強(qiáng)度25.53 MPa，平均動(dòng)載系數(shù)1.7；綜采面周期來(lái)壓步距在16.29～22.88 m 范圍內(nèi)，平均來(lái)壓步距19.54 m，周期來(lái)壓強(qiáng)度在16.82～20.87 MPa范圍內(nèi)，平均來(lái)壓強(qiáng)度18.42 MPa，平均動(dòng)載系數(shù)1.2。綜上表明，現(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明了相似模擬試驗(yàn)的合理性和可靠性。

表1 礦壓觀測(cè)匯總

5 結(jié)語(yǔ)

本文以煤峪口礦82002 大采高綜采面為工程背景，采用相似模擬試驗(yàn)，揭示了大采高綜采面頂板破斷特征與覆巖活動(dòng)規(guī)律：工作面初次來(lái)壓和周期來(lái)壓主要是由基本頂破斷造成工作面前方未開(kāi)挖煤體以及滯后工作面一定范圍內(nèi)煤巖體應(yīng)力增加，表明工作面位置存在一定的壓力拱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)承載開(kāi)挖擾動(dòng)形成的載荷?，F(xiàn)場(chǎng)礦壓規(guī)律驗(yàn)證了相似模擬的合理性，為支架選型和工作面參數(shù)確定提供理論依據(jù)。