李俊峰

（河南能源焦煤公司趙固二礦）

深埋薄基巖層下煤層開采的過程中，工作面的礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，來壓時易引發(fā)片幫、冒頂?shù)葹暮?。工作面礦壓顯現(xiàn)特征及覆巖移動特征，與普通深埋煤層有顯著差別。研究深埋薄基巖煤層工作面在回采過程中的礦壓顯現(xiàn)特征與覆巖運移破斷規(guī)律，可以為礦井的實際生產提供理論依據(jù)。曹健等［1］借助物理模擬、數(shù)值計算等方法，分析了工作面初次來壓與周期來壓的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得到煤層采高、埋深對來壓規(guī)律的影響。蘇曉建［2］采用相似模擬和數(shù)值模擬的方法，研究了大采高工作面推進過程中頂板運移特征，得到淺埋深大采高工作面礦壓規(guī)律及工作面長度對其的影響。關丙火等［3］針對8.8m 超大采高工作面礦壓顯現(xiàn)強烈、圍巖控制難度大的問題，提出了超大采高工作面的頂板災害綜合預警方法以及關鍵防治技術。崔世榮［4］分析了工作面回采過程中的覆巖移動規(guī)律和礦山壓力顯現(xiàn)特征，并根據(jù)現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況，提出科學的頂板管控技術，保證了工作面的安全回采。張向陽等［5］借助相似模擬和數(shù)值模擬，分析了弱黏結頂板厚煤層綜放開采采場圍巖變形破壞機理及應力分布規(guī)律，研究得出覆巖散體拱結構的不同失穩(wěn)模式。

本文針對趙固二礦煤層埋藏深、薄基巖、厚松散層、頂板條件差的特殊地質條件，以趙固二礦11050工作面為工程背景開展相似材料物理模擬試驗，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，研究深埋薄基巖條件下，大采高工作面在回采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和覆巖破壞特征，以期為趙固二礦的實際生產提供科學的預測預報，保證工作面安全、高效回采。

1 工作面概況

趙固二礦設計生產能力為180 萬t/a，主采二1煤層為單一近水平煤層，傾角小于6°，平均厚度6.2 m，埋藏深度大于680 m，上覆基巖薄，底板水壓高于7 MPa，煤體橫向層理發(fā)育。11050 工作面采用走向長壁大采高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，一次采全厚，采高為6.0 m。

2 相似模擬試驗分析

2.1 模型建立

原工作面采用分層開采的方法，為提高煤炭開采效率，擬對11050工作面采用大采高一次采全厚方法進行煤層開采。因此，本實驗主要模擬不同采高下，工作面覆巖的移動規(guī)律，模擬采高分別選擇3.5，6.0 m。結合礦井地質條件，以及11050工作面頂、底板圍巖的物理力學性質，最終確定物理相似模擬材料配比見表1。實驗臺尺寸為：4.2 m×2 m×1.8 m（長×寬×高），采用平面應力模型，幾何相似比為1∶100。

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在試驗過程中可對實驗模型的底板進行簡化。試驗煤層傾角為0°，在進行試驗模型鋪設時，每次鋪設的最大厚度為2 cm。在頂板巖層中布置測點，觀測回采過程中覆巖運移情況。從煤層測點間距為15 cm×15 cm，沿煤層上方共布設9層。

2.2 工作面上覆巖層移動規(guī)律分析

2.2.1 采高3.5 m

切眼距模型左邊界1 m，模型沿著工作面走向開挖，每次開挖步距為5 m，頂板管理采用全部垮落法，如圖1（a）所示。根據(jù)回采過程中上覆巖層的運移規(guī)律，對工作面開挖28，32，43，55，105，155，240 m 的上覆巖層移動特征（圖1）進行分析。對測點位移數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，分析開采頂分層后（采高為3.5 m），頂板巖層運移變化規(guī)律及“三帶”劃分。當工作面推進度為28 m 時，直接頂發(fā)生初次破斷，覆巖冒落范圍為4.5～5.2 m，如圖1（b）所示；當推進度為32 m 時，老頂發(fā)生初次破斷，破斷（來壓）步距為32 m，頂板破壞高度為8.6～9.5 m，如圖1（c）所示；當推進度為43 m 時，基本頂產生周期性破斷，周期來壓步距（周期破斷距離）為11 m，如圖1（d）所示。此時工作面上覆巖層破壞高度為22 m，破壞高度會隨著工作面繼續(xù)推進而增加；推進度為55 m 時，老頂出現(xiàn)第二次周期來壓，周期來壓步距為12 m，如圖1（e）所示；推進度為105 m 時，覆巖繼續(xù)向上方破壞演化，老頂共出現(xiàn)5 次周期來壓，來壓步距均值為10.4 m，覆巖破壞高度達到了47.5 m，如圖1（f）所示；推進度為155 m 時，直接頂和基本頂均會產生彎曲下沉，造成上覆巖層出現(xiàn)大范圍的垮落、離層，如圖1（g）所示；推進度為240 m時，模擬回采結束，測得巖層移動角為63°，如圖1（h）所示。上三帶（垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶）高度分別為15.2，34.6，123 m。

2.2.2 采高6 m

采高為6 m 時，模擬方案與采高為3.5 m 時相同。結合頂板巖層在回采過程中的變化特征，針對推進度分別為20，35，52，115，145，240 m 的上覆巖層移動特征（圖2）進行分析。對測點位移情況進行統(tǒng)計分析，得出采高為6 m 時（整層開采），覆巖運移變化規(guī)律及“三帶”的劃分。

當工作面推進度為20 m 時，直接頂發(fā)生初次破斷，覆巖冒落高度為4.0 m，如圖2（b）所示；推進度為35 m 時，老頂發(fā)生初次破斷，破斷（來壓）步距為35 m，頂板破壞高度10～14 m，如圖2（c）所示；當推進度為52 m 時，基本頂產生周期性破斷，周期來壓步距（周期破斷距離）為17 m，上覆巖層破壞高度達到22 m，如圖2（d）所示；當推進度為115 m 時，在工作面推進過程中，上覆巖層的破壞會逐漸向上部發(fā)展，產生5次周期性破斷，來壓步距均值為16.6 m，覆巖破壞高度達到了68 m，如圖2（e）所示；當工作面推進至145 m 時，基本頂上覆的巖層出現(xiàn)大面積的離層與垮落，如圖2（f）所示；當工作面推進240 m 時，工作面停止推進，巖層移動角接近60°，上三帶高度依次為22，101，20 m，如圖2（g）所示。

通過分析，可以得出，在工作面推進過程中的最初40 m 范圍內，采高為3.5 m 時煤層上覆巖層破壞高度小于22 m，采高為6.0 m 時上覆巖層的破壞高度小于35 m。隨著推進度的不斷增加，上覆巖層的破壞高度會隨采高的增加而逐漸變大，破壞高度與推進度整體上呈現(xiàn)線性關系，但局部表現(xiàn)為階段性上升，造成這種現(xiàn)象的最主要原因是，覆巖破壞高度會隨著頂板的周期性破斷，從而呈現(xiàn)階段性上升。

3 工作面礦壓監(jiān)測

3.1 工作面礦壓監(jiān)測方案

通過分析工作面液壓支架工作阻力以及礦壓顯現(xiàn)特征，確定11050工作面的初次及周期來壓步距和來壓強度，從而研究該工作面ZF18000/20/38 型支架適應性，為工作面后續(xù)開采提供理論依據(jù)。工作面長183 m，共布置92組液壓支架，每隔7架（1#，9#，17#，25#，33#，41#，49#，58#，66#，74#，83#，92#）布置1 臺監(jiān)測分站，共計12 臺，并將監(jiān)測區(qū)域分為上、中、下3 部分。

3.2 礦壓監(jiān)測結果分析

分別在上、中、下部各選取2 架支架數(shù)據(jù)進行分析。上測區(qū)選取74#、83#號支架，中測區(qū)為41#，49#號支架，下測區(qū)為9#，17#號支架，具體數(shù)據(jù)見表2。

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通過液壓支架數(shù)據(jù)的分析可得，11050 工作面平均周期來壓步距為19.3 m。相似模擬試驗下，采高為6 m時，測得工作面平均周期來壓步距為16.6 m，與現(xiàn)場實測相差較小。由表2 可知，與上部和下部相比，工作面中部基本頂?shù)牡V壓顯現(xiàn)更為明顯，因為工作面上、下部有煤柱支撐頂板，導致側方的露頂面積較小，頂板發(fā)生垮落的情況下作用在支架上的載荷較小；由于煤層的開采，造成工作面中部的頂板懸頂面積及跨距與工作面上部和下部相比更大。因此，在工作面回采過后，頂板作用在支架上的載荷較大，從而導致工作面中部的礦壓顯現(xiàn)更加明顯。同時，在工作面中部每推進50 m 左右時，工作面會發(fā)生一次大的來壓顯現(xiàn)，來壓強度較大，煤壁片幫和冒頂較為嚴重，原因是高位堅硬巖層周期性破斷所致。

4 結 論

（1）在分層開采條件下，采高為3.5 m 時，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?2 m，平均周期來壓步距為10.4 m。11050 工作面推進結束時，垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶高度分別為15.2，34.6，123 m。

（2）大采高一次采全厚開采，采高為6 m 時，基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄酁?5 m，平均周期來壓步距為16.6 m。工作面推進結束時，“三帶”的范圍由下至上分別為22，101，20 m。

（3）11050工作面的周期來壓步距為19.3 m，工作面中部基本頂?shù)牡V壓顯現(xiàn)，與上部和下部相比更為明顯。同時，在工作面中部每推進50 m 左右時，工作面會發(fā)生一次大的來壓顯現(xiàn)，來壓強度較大，煤壁片幫和冒頂較為嚴重。