劉劍

（鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010）

神東礦區(qū)煤層賦存埋藏淺、基巖薄，基巖多為堅(jiān)硬粉砂巖，基巖上覆為厚松散覆蓋層，厚度在5～80m 不等，煤層頂板巖層的穩(wěn)定性較差。近年開(kāi)采表明，煤層開(kāi)采引起工作面上覆淺埋薄基巖切落形成劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)[1]，導(dǎo)致工作面液壓支架壓死、水砂潰入工作面，不利于煤礦的安全生產(chǎn)[2]。本文以李家塔煤礦2-2中煤層首采工作面為背景，用相似模擬實(shí)驗(yàn)的研究手段對(duì)淺埋深薄基巖煤層開(kāi)采覆巖運(yùn)動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行研究，探索該礦淺埋薄基巖煤層上覆巖層破斷機(jī)理及破斷規(guī)律。

一、煤層地質(zhì)條件分析

（一）工程地質(zhì)概況

李家塔煤礦2-2中煤層層厚為0～4.78m，平均厚度3.78m。2-2中煤層頂?shù)装鍘r性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，層狀巖類中等型。

2-2中煤層首采工作面煤層埋深在60～130m 左右，基巖厚度在15～40 m 左右，上覆松散層厚度在20～80m 左右。工作面煤層頂板直接頂為泥巖，層厚4.37m、老頂為粉砂巖，層厚為22.82m；直接底為砂質(zhì)泥巖，層厚為5.08m、老底為砂巖，層厚為6.5m。

（二）煤巖物理力學(xué)參數(shù)

李家塔煤礦2-2中煤層上覆巖層發(fā)育較多的水平層理、裂隙和滑面等結(jié)構(gòu)，RQD 平均50～75%，巖石質(zhì)量中等（III），各巖層組巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2-2 中煤層上覆巖層巖石物理力學(xué)參數(shù)

二、相似模擬實(shí)驗(yàn)研究

（一）模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照1：200 的比例建立模型架進(jìn)行相似模擬實(shí)驗(yàn)，模型力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模擬工作面從切眼到推進(jìn)方向500m 范圍的回采過(guò)程、覆巖破壞及地表下沉移動(dòng)規(guī)律。模型沿工作面推進(jìn)方向剖面示意見(jiàn)圖1 所示。

圖1 相似模擬模型沿工作面推進(jìn)方向剖面示意圖

（二）模擬實(shí)驗(yàn)研究方法

1.模擬支架與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

相似模擬實(shí)驗(yàn)中采用了液壓支架的模擬模型，模型支架初撐力具有與原型相似的力學(xué)特性。為了監(jiān)測(cè)上覆巖層對(duì)液壓支架的影響，采用動(dòng)態(tài)載荷智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

2.覆巖移動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕细矌r層中布置了兩排位移測(cè)點(diǎn)，分別距離煤層頂板24cm、50cm，在采空區(qū)正上方布置5 個(gè)地表下沉測(cè)點(diǎn)。模型設(shè)計(jì)工作面推進(jìn)距離是250cm，對(duì)應(yīng)實(shí)際推進(jìn)距離500m。測(cè)點(diǎn)的具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 模型測(cè)點(diǎn)布置示意圖

（三）模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

（1）冒落帶

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀覀?cè)開(kāi)切眼，當(dāng)工作面推進(jìn)到20m，直接頂冒落。推進(jìn)到64m 時(shí)，老頂初次來(lái)壓。推進(jìn)到88m 時(shí)老頂周期來(lái)壓。推進(jìn)到156m 時(shí)，老頂逐漸形成鉸接結(jié)構(gòu)，垮落帶的高度為33m 左右。

（2）裂隙帶

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸ぷ髅嫱七M(jìn)到258m 時(shí)，上覆巖層裂隙發(fā)育至煤層頂板75m 處。當(dāng)推進(jìn)到274m 時(shí)，裂隙在垂直方向上貫穿基巖，裂隙帶的高度為80m。推進(jìn)到360m 時(shí)，采空區(qū)上方的地表出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，由地表向下出現(xiàn)垂向裂隙，發(fā)育深度增加約40m，直至砂礫層。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，地表下沉范圍持續(xù)擴(kuò)大。

2.上覆巖層及地表下沉規(guī)律

對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谏细矌r層中布置的第一排測(cè)點(diǎn)的下沉數(shù)據(jù)分析中可以看出，工作面推進(jìn)前40m，上覆巖層的下沉量變化不大，推進(jìn)到60m 時(shí)初次來(lái)壓，上覆巖層下沉速度急劇增大。推進(jìn)至300m，在距離開(kāi)切眼位置60m 到200m 范圍內(nèi)的采空區(qū)上覆巖層下沉量最大，最大可達(dá)3500mm，且隨著工作面的推進(jìn)，最大下沉量不再增加，說(shuō)明此處巖層已基本達(dá)到最大下沉值，同時(shí)也說(shuō)明冒落巖體具有碎脹性，導(dǎo)致覆巖下沉值小于煤層開(kāi)采厚度。第二排測(cè)點(diǎn)的下沉數(shù)據(jù)分析看出，當(dāng)推進(jìn)到180m-200m 時(shí)，只有測(cè)點(diǎn)8 下沉量最大，接近1800mm。從地表測(cè)點(diǎn)下沉數(shù)據(jù)可以看出，工作面推進(jìn)的前100m，地表下沉不明顯，隨著工作面推進(jìn)到1500m 時(shí)，地表下沉量達(dá)到最大，約為800mm。

3.工作面支護(hù)阻力分析

（1）支架初撐力

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭Ъ艹鯎瘟ΡO(jiān)測(cè)數(shù)值如表2 所示，大部分模型支架的初撐力都在5800kN 以上，與原型液壓支架實(shí)際初撐力分布情況一致。

表2 工作面初撐力分布頻率

（2）支架工作阻力

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭Ъ芄ぷ髯枇εc工作面推進(jìn)距離關(guān)系如圖10 所示，可知工作面初次來(lái)壓前液壓支架的工作阻力變化不明顯，未達(dá)到液壓支架的額定工作阻力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有觀察到明顯的上覆巖層破壞，說(shuō)明此時(shí)老頂巖層具有一定的自持性，未發(fā)生破斷。隨著工作面向前推進(jìn)，支架工作阻力呈現(xiàn)周期性變化。由實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭Ъ芄ぷ髯枇Ψ植碱l率如表3 可知，在工作面兩次來(lái)壓，工作面支架的工作阻力小于其額定工作阻力，此時(shí)液壓支架的工作阻力是在初撐力與額定工作阻力之間。當(dāng)老頂來(lái)壓時(shí)，支架處于額定工作阻力狀態(tài)。

圖10 支架工作阻力與工作面推進(jìn)距離

表3 工作面支架工作阻力分布頻率

三、結(jié)論

本文運(yùn)用相似模擬的方法，研究了李家塔煤礦2-2中煤層在淺埋深、薄基巖、厚黃土層的條件下，受采動(dòng)影響厚上覆巖層破斷變形規(guī)律，工作面推進(jìn)過(guò)程中上覆巖層裂隙貫通和垮落情況及工作面液壓支架工作阻力變化，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）煤層開(kāi)采后，其上覆巖層破斷后形態(tài)主要表現(xiàn)為垮落帶和裂隙帶，無(wú)彎曲下沉帶?？迓鋷Ц叨葹?3m 左右，是工作面采高的6 倍左右，裂隙帶貫通上覆巖層直至地表。

（2）工作面回采過(guò)程中，工作面老頂初次來(lái)壓步距約為64m，周期來(lái)壓步距20m。

（3）工作面未來(lái)壓時(shí)，工液壓支架的工作阻力小于其額定工作阻力，此時(shí)液壓支架的工作阻力是在初撐力與額定工作阻力之間。當(dāng)老頂來(lái)壓時(shí)，支架處于額定工作阻力狀態(tài)。