趙 磊

(山西焦煤西山煤電晉邦德煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000)

伴隨綜采面持續(xù)開采，暴露的頂板面積逐漸增大，煤層上覆巖層發(fā)生彎曲斷裂[1-4]，當(dāng)覆巖彎曲斷裂程度超過極限時(shí)，覆巖開始下移并垮落[5-6]。為有效確保礦井安全穩(wěn)定生產(chǎn)，研究在煤層回采時(shí)覆巖的位移變化規(guī)律至關(guān)重要。

針對(duì)此問題，科研工作者開展了大量的工作并取得了一定的成果，羅明坤[7]通過相似模擬試驗(yàn)，對(duì)堅(jiān)硬頂板環(huán)境下上覆巖層的運(yùn)移規(guī)律以及大巷形變移動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作面采空區(qū)堅(jiān)硬頂板存在較長(zhǎng)距離的懸頂長(zhǎng)度時(shí)，初次來壓步距達(dá)到37 m，周期來壓步距達(dá)到23 m，圍巖發(fā)生兩幫凸起、頂板擠壓移動(dòng)的運(yùn)移變形規(guī)律；趙向陽等[8]在門克慶煤礦開展相似模擬試驗(yàn)，對(duì)堅(jiān)硬覆巖煤層回采期間裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)覆巖演化呈現(xiàn)為長(zhǎng)砌體梁結(jié)構(gòu)逐步變化和低位堅(jiān)硬覆巖協(xié)同作用于采空區(qū)兩側(cè)，最終表現(xiàn)為F型懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂板最大位移量達(dá)到5.69 m；魏宗勇等[9]在山西天池煤礦202工作面構(gòu)建三維物理相似模擬模型，借助聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、三維模型剖切手段研究覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，發(fā)現(xiàn)覆巖垮落裂隙三維形態(tài)表現(xiàn)為“橢拋體”形狀，高位巷合理布置地點(diǎn)選在回風(fēng)巷側(cè)裂隙區(qū)，瓦斯抽采效率得到顯著提高。

本文以山西焦煤西山煤電公司晉邦德煤業(yè)10406綜采工作面為工程背景，借助相似模擬手段，對(duì)煤層回采階段工作面覆巖位移變化規(guī)律進(jìn)行研究，以指導(dǎo)此煤層進(jìn)行巷道支護(hù)[10-11]，并為鄰近礦井提供一定的參考價(jià)值。

1 工作面基本情況

山西焦煤西山煤電公司晉邦德煤業(yè)10406綜采工作面位于10號(hào)煤四采區(qū)，10406軌道巷開口位于10號(hào)煤東翼軌道巷，10406膠帶巷開口位于10號(hào)煤東翼膠帶巷。

10406工作面北部距霍州煤電木瓜礦礦界80 m，木瓜礦在靠近礦界處無采掘活動(dòng)，礦界與工作面中間有10號(hào)煤東翼軌道巷、東翼回風(fēng)巷、東翼膠帶巷3條大巷；西面為本礦10404工作面；南部為樓俊集團(tuán)擔(dān)炭溝煤業(yè)礦界，現(xiàn)擔(dān)炭溝煤業(yè)10101工作面(已回采)，距工作面40 m；東面為本礦10408工作面(2017年回采完成)，間距為20 m.工作面上覆有本礦4號(hào)煤東翼機(jī)軌合一巷；14207(已回采)、14205工作面；原燕溝礦主斜井、副立井、回風(fēng)立井、南膠帶巷、南回風(fēng)巷、1403、1402、1401、北一、北二采空區(qū)。

地面標(biāo)高為+1 042～+1 189 m，工作面標(biāo)高+808～+878 m，工作面傾斜長(zhǎng)約171 m，可采走向長(zhǎng)度為1 393 m.煤層平均傾角為5°，密度為14×10-3g/cm3，平均厚度為2.9 m.工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 試驗(yàn)規(guī)劃

2.1 確定相似常數(shù)

根據(jù)晉邦德煤業(yè)煤層地質(zhì)條件，確定相似材料的主要組成成分為細(xì)砂、石膏及石灰，利用配比不同以模擬井下堅(jiān)硬、較硬和軟弱巖層。各模擬巖層材料質(zhì)量計(jì)算見公式(1)，相似材料配比結(jié)果見表2.

G=LbhγP

(1)

式中：G為所選巖層材料的質(zhì)量，kg；L為所選巖層的長(zhǎng)度，m；b為所選巖層的寬度，m；h為所選巖層的厚度，m.

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

模擬方案：結(jié)合晉邦德煤業(yè)地層資料，將覆巖厚度超過0.5 m的進(jìn)行分層模擬，將覆巖厚度不足0.5 m的和鄰近層進(jìn)行合并處理，從而開展綜合模擬，根據(jù)巖層分層特點(diǎn)開始把相似材料鋪設(shè)好，從而獲得試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具體如圖1所示,相似材料配比情況見表2.模型長(zhǎng)×高×寬為420 cm×200 cm×250 cm，在模型架的四周及背面通過鋼板固定并封閉，將厚度為20 mm的有機(jī)玻璃覆蓋在模型架前方。通過在相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓懊姘苍O(shè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從而對(duì)煤層回采階段煤層上覆巖層運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)，如圖2所示。

圖1 相似試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2 布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

表2 相似材料配比情況

2.3 試驗(yàn)過程

制作好模型之后，充分干燥7 d，接著將模型前后擋板拆掉，在模型的后方布置保護(hù)槽鋼2根，將煤層和巖層的位置以及標(biāo)高標(biāo)注好，同時(shí)對(duì)巖層含水率進(jìn)行測(cè)定，等巖層含水率與材料配比試驗(yàn)的含水率二者一致時(shí)開始開采，選在離邊界距離為110 m處開挖切眼，并將頂煤厚度留設(shè)0.5 m，接著按照回采速度為4 m/h不斷推進(jìn)。借助全站儀實(shí)時(shí)觀察各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，對(duì)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始坐標(biāo)以及回采時(shí)坐標(biāo)，進(jìn)而確定每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)律。

3 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)工作面回采到距離開切眼50 m范圍時(shí)，煤層的直接頂發(fā)生初次來壓，圖3、圖4為工作面上覆巖層裂隙發(fā)育特點(diǎn)及垂直位移變化規(guī)律。由圖3發(fā)現(xiàn)，上覆巖層開始斷裂，同時(shí)垮落到下部采空區(qū)內(nèi)，測(cè)定垮落角大小為68°，垮落帶高度達(dá)到10.5 m，垮落后巖層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為層狀，呈現(xiàn)出在采空區(qū)內(nèi)無規(guī)則堆積，上部巖層和垮落后巖層發(fā)生較大空隙，垮落后巖石充分破碎，相互貫通，具有較高的連通率，沒有形成斷裂帶。

圖3 距離工作面切眼50 m時(shí)覆巖裂隙發(fā)育特點(diǎn)

圖4 距離切眼50 m時(shí)覆巖垂直位移分布規(guī)律

由圖4可知，介于工作面開切眼后部40 m到工作面煤壁前部30 m區(qū)域的上覆巖層在采動(dòng)作用下影響較大；介于工作面開切眼后部和工作面煤壁前部區(qū)域的上覆巖層發(fā)生向上的垂直位移，原因是工作面兩端頭處的巖層不斷擠壓中間巖層所造成的；采空區(qū)上覆巖層發(fā)生向下的垂直位移，離開切眼前部20 m距離處發(fā)生的垂直位移最大；隨著覆巖不斷遠(yuǎn)離煤層，覆層所發(fā)生的垂直位移開始逐步下降，當(dāng)與煤層距離為11.54 m時(shí)，覆巖發(fā)生的垂直位移達(dá)到峰值，最大值為0.07 m.

工作面回采到距離開切眼100 m范圍時(shí)，煤層上覆巖層發(fā)生第5次周期來壓，大約在工作面開采10～15 m時(shí)，發(fā)生第1次周期來壓，圖5為覆巖垂直位移變化規(guī)律。數(shù)值模擬得到垮落角大小為65°，垮落帶高度達(dá)到13.45 m，導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到37 m，即垮落帶和斷裂帶的總高度，在垮落帶和斷裂帶之間形成斷層；垮落帶區(qū)域巖石呈現(xiàn)較為充分破碎狀態(tài)，具有較高連通率；斷裂帶區(qū)域巖層呈現(xiàn)出少量的豎向破斷裂隙和離層裂隙，但豎向破斷裂隙數(shù)量不斷向上發(fā)育，離層裂隙不斷向兩端擴(kuò)展，裂隙延伸到覆巖四周，但沒有完全聯(lián)通。從圖5獲得，在工作面切眼后部40 m到煤壁前部區(qū)域20 m內(nèi)覆巖處于采動(dòng)影響作用之下；在切眼前部40 m范圍內(nèi)覆巖發(fā)生了最大的垂直位移，逐步向兩端頭降低，在垂直位移方向上處于對(duì)稱；伴隨與煤層之間的距離逐步擴(kuò)大，覆巖的垂直位移也在逐步降低，當(dāng)與煤層的距離為11.54 m時(shí)，覆巖垂直位移的最大值達(dá)到2.1 m.

圖5 距離切眼100 m時(shí)覆巖垂直位移分布規(guī)律

工作面開采到切眼160 m距離范圍時(shí)，圖6為覆巖垂直位移特征圖。數(shù)值模擬得到垮落角大小達(dá)到68°，垮落帶高度發(fā)育達(dá)到17.5 m，斷裂帶高度發(fā)育達(dá)到31.78 m，導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育達(dá)到49.28 m；當(dāng)煤層回采影響到上部13號(hào)煤層時(shí)，原有覆巖組織形成失穩(wěn)狀態(tài)。由圖6得到，在工作面切眼后部40 m到煤壁前部40 m區(qū)域覆巖處于采動(dòng)作用下；在工作面切眼前部距離80 m區(qū)域覆巖發(fā)生最大垂直位移，逐步向兩端降低，垂直位移運(yùn)移曲線呈現(xiàn)對(duì)稱分布規(guī)律；伴隨與煤層之間距離的逐步擴(kuò)大，覆巖垂直位移也在逐步降低，在與煤層距離為11.54 m時(shí)，覆巖垂直位移的最大值達(dá)到2.35 m.

圖6 距離切眼160 m時(shí)覆巖垂直位移分布規(guī)律

4 結(jié) 語

1) 伴隨綜采面持續(xù)開采，垮落角幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，垮落帶與斷裂帶發(fā)育高度不斷增加，采動(dòng)對(duì)上覆巖層的影響作用持續(xù)增強(qiáng)。

2) 覆巖垂直位移最大值幾乎處于工作面采空區(qū)中部區(qū)域，并朝兩端不斷下降，垂直位移曲線幾乎呈現(xiàn)對(duì)稱分布趨勢(shì)；伴隨綜采面回采距離不斷增加，垂直位移最大值逐步升高；覆巖垂直位移伴隨與煤層之間距離的不斷增加而逐漸下降。

3) 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果可指導(dǎo)晉邦德煤業(yè)煤層進(jìn)行巷道支護(hù)，并為鄰近礦井提供一定的參考。