厚夹矸煤层综放开采岩层移动的相似模拟

陈海波,　曹仁举

(黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)



厚夹矸煤层综放开采岩层移动的相似模拟

陈海波,曹仁举

(黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)

针对综放开采技术在结构复杂煤层中应用效果不理想的情况,通过相似模拟实验研究结构复杂厚煤层综放开采时厚夹矸层、顶煤及顶板岩层的移动特征。结果表明:含厚夹矸层厚煤层顶煤冒放性较差,其位移显著增加的位置更接近于煤壁;顶煤破碎受夹矸层厚度的影响较大,夹矸层达到一定厚度，顶煤放出效果不理想，直至不能放出。开采模拟观测和实测数据分析结论基本一致。该研究为扩大放顶煤安全高效开采范围提供了参考。

岩层移动; 综放开采; 夹矸; 厚煤层; 相似模拟

(School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

我国开滦、兖州、大同、潞安等矿区厚煤层储量较丰富,其中,赋存条件好的厚煤层采用综放开采的方式实现了安全高效生产,并获得了较好的经济效益,但是,存在厚夹矸结构的复杂厚煤层,采用综放开采时,其技术可行性,顶煤冒放性受夹矸层影响的程度,夹矸层能够放出的最大厚度,以及顶煤、顶板的移动规律尚难以确定,且相关研究也不够深入[1]。为此,笔者利用相似模拟理论研究含厚夹矸煤层综放开采时的顶煤、顶板岩层移动规律,以期为扩大放顶煤安全高效开采范围提供参考。

1　工程地质概况与相似实验原理

1.1工程地质概况

1.2相似实验原理

2429S工作面相似材料模拟实验以相似理论为基础,要求模型与工作面原型全部物理量相同,且物理本质一致,二者的区别仅是各物理量的大小比例不同。原岩应力场要求实验模型与工作面原型必须满足物理相似、几何相似、时间相似及边界条件相似[2-12]。其实质就是,根据相似原理,按照一定的研究条件,采用相似材料制成以某一比例缩小原工作面的模型,之后模拟真实开采情况下模型中的煤层,并观测模型中煤层上部顶煤、顶板岩层在开采过程中发生的移动、变形和破坏,以分析实际工作面煤层上覆岩层移动和破坏规律。

2　相似模拟实验选材与建模

实验选择细砂、石灰和石膏为相似材料,其中细砂为骨料,石灰和石膏为胶结材料。通过大量不同配比实验测试试块强度,确定实验相似材料的配比。以岩石单向抗压强度作为模型各岩层参数选取的主要相似物理量,且其他各物理量要相似,其中,几何相似常数为50,容重相似常数为1.6,应力相似常数为80,时间相似常数为7.07。由相似常数计算实验模型各层的物理力学参数,见表1。其中,V1∶V2为骨料与胶结料的体积比,V1∶V3为细砂与石灰的体积比。

表1岩层相似材料配比与物理力学参数

Table 1Ingredient of similar materials and mechanics parameter of strata

实验台的尺寸为1 600 mm×280 mm×1 200 mm,选用平面应力模型。因矿区应力场主要是重力场,故实验仅考虑重力和移动边界条件,由模型架约束边界移动。实验模型均严格按各层的实际厚度铺设,模型总厚度为990 mm,其中,夹矸层采用逐渐增厚的方式铺设,其厚度为3.64～5.56 cm,平均4.6 cm。

在模型表面设置100 mm×100 mm的正方形方格网,布置纵向位移观测线11条,横向位移观测线8条,观测线的交叉点设为位移观测点;在模型底部安设了11个压力盒作为压力测点,采用7v14数据采集器来自动采集压力盒数据。模型布置如图1所示。

图1　综放工作面相似模拟模型布置

Fig. 1Similar simulation model layout of fully-mechanized caving mining

3　结果与讨论

3.1实验观测结果

为消除边界效应,以符合现场实际,回采时在模型右侧留设30 m的边界效应范围。按照2429S工作面开采初期平均日进4刀,每刀0.5 m,日进尺约2 m,最大推进度增加到日进尺3 m,模拟实验设计初采为4 cm,随工作面向前推进逐渐加快推进速度。

随着模拟工作面的开采,当推进到与开切眼相距14 m时,夹矸层初次垮落,其垮落形态为梯形,厚度为0.95 m,块度不大,夹矸层上的两个位移观测点被破坏,上部煤层受夹矸层的影响,只出现离层。工作面继续向前推进,夹矸层的厚度较小,随采随冒,顶煤随之冒落,但因受夹矸层的阻挡,顶煤的垮落块度逐渐增大。当推进至与开切眼相距23.5 m时,直接顶初次来压,来压步距为23.5 m。此时,夹矸层的厚度达到1.1 m,垮落块度较大,影响放顶煤,这与理论分析结论一致[13],故含厚夹矸煤层开采时其极限厚度为1.1 m。工程实践表明[14-15],夹矸层极限厚度为1.1 m以下的综放开采方案是可行的。当模拟工作面推进至与开切眼相距27.5 m时,基本顶垮落,发生初次来压,初次来压步距为27.5 m,如图2所示。这时,夹矸层由于厚度过大形成悬臂梁或呈大块垮落而形成对顶煤的隔离带,顶煤不能正常放出。基本顶岩层全厚为8.5 m,垮落高度为4.6 m,未全部垮落,但在垮落基本顶上部开始出现明显的裂隙,并产生水平和垂直位移,随采随垮。

图2　工作面基本顶初次来压Fig. 2　Main roof to pressure first time at face

当工作面又向前推进了13 m后,采空区基本顶再次垮落,厚度为3.9 m,即采空区基本顶全部垮落,与上覆岩层产生离层,离层高度最大处达1 m以上。当工作面推进至与开切眼相距47.5 m时,基本顶第一次周期来压,步距为20.0 m,如图3所示,比现场实测的平均周期来压步距大3.4 m。分析其原因是,上位顶煤和顶板岩层的移动和破碎受厚夹矸层的影响,基本顶周期来压步距变大。由此可知,基本顶每次来压时,未全部垮落,而是随着工作面向前推进,随时垮落,上部岩层出现缓慢下沉。

图3　工作面基本顶周期来压Fig. 3　Main roof cycle pressure at face

3.2实验数据处理与分析

3.2.1顶底板支承压力分布

通过7v14数据采集器采集到了相似模拟实验各测点的压力数据,得到了煤岩层不同位置的支承压力(p)的分布情况。回采推进至距开切眼20、25和45 m位置处的支承压力变化曲线如图4所示,其中，l为工作面测点距煤壁距离。

图4　距开切眼20、25、45 m时底板支承压力分布

Fig. 4Bottom bearing pressure distribution to open-off cut 20, 25, 45 m away

由图4可以看出,随着工作面向前继续推进,工作面前方测点的支承压力逐渐升高,在工作面推进至距测点后方2～3 m时,测点的支承压力达到峰值,支架推移过该测点,其支承压力瞬间下降到最低点,之后随着工作面的继续推进,该测点的压力有少量升高,这是由于上覆岩层垮落和再压实引起应力重新分布而造成的。三个测点的压力峰值,呈逐渐升高的趋势,距开切眼45 m测点的压力峰值最高,距开切眼25 和45 m两个测点的位置分别与基本顶初次来压和周期来压位置基本一致,验证了模拟开采过程基本顶初次来压和周期来压步距的准确性。

图5为基本顶来压时支承压力走向分布情况，其中，l1为压力测点距开切眼距离。由图5可知,模拟开采基本顶初次来压和周期来压时,工作面前方2～3 m范围内支承压力达到峰值,与模拟开采过程分析得出的基本顶来压显现规律相一致。

图5　基本顶来压时支承压力走向分布

Fig. 5Support pressure distribution of main roof to pressure

3.2.2顶板岩层与顶煤位移

分析位移实测数据,得到上覆岩层的水平位移(s1)与垂直位移(s2)。距开切眼40 m处直接顶和基本顶测点的位移如图6所示。由图6可知,上覆岩层移动方向不定,可沿工作面推进正反两个方向发生水平位移。上覆岩层水平位移受岩层层位影响,上位岩层的水平位移小,层位越低,水平位移越大。在采空区范围内,上覆岩层水平位移向工作面推进的反方向移动,达到最大值后,又开始向工作面推进方向移动。

图6　上覆岩层水平、垂直位移

Fig. 6Horizontal displacement and vertical displacement of overlying rock

对比图6a、6b可知,工作面后方上覆岩层的垂直与水平位移随工作面的推进不断增加,直接顶的位移大于基本顶的位移,层位越低,位移越大。距煤壁6～12 m范围的采空区后方上覆岩层,垂直位移与水平位移开始显著增加,直到岩层破断跨落后达到最大位移。

图7给出了距开切眼40 m处顶煤测点的水平位移和垂直位移,由图可知,上位顶煤在支架上方开始有较明显的水平位移,其位置比不含夹矸顶煤推后5～7 m,更接近煤壁,且水平位移的方向与工作面推进方向相反,而后逐渐增大,在工作面后方5～6 m的位置,随顶煤的放出,水平位移达最大值,不再变化。与上位顶煤的水平位移相对比,上位顶煤的垂直位移也是在支架上方较明显,其位移略小于水平位移。但在放顶煤时,其垂直位移则明显大于水平位移,顶煤被放出后,垂直位移达最大值,不再变化。这与现场实测的顶煤位移规律[14]基本相符。

图7　顶煤水平位移和垂直位移

Fig. 7Horizontal displacement and vertical displacement of top coal

4　结　论

(1)含夹矸层厚煤层顶煤移动显著增加的位置在工作面支架上方,比不含夹矸单一结构厚煤层综放开采更接近于煤壁,故其顶煤冒放性相比较差,实际生产中可通过支架的反复支撑作用破坏夹矸层,以增大顶煤的冒放性。

(2)当夹矸层厚度小于1.1 m时,顶煤冒放性不受夹矸层垮落块度的影响,能顺利放出,但顶煤垮落块度增大较明显。夹矸层厚度增大到1.1 m以后,夹矸层出现大块垮落,不能在放煤口放出夹矸,且相互铰接的大块厚夹矸形成隔离带,阻挡顶煤放出,厚夹矸层最终成悬臂梁,顶煤不能放出。

(3)开采模拟观测和实测数据分析结论基本一致。研究结果为类似条件煤层开采提供借鉴,进一步扩大了放顶煤安全高效开采范围。

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(编辑荀海鑫)

Similar simulation on strata movement of fully-mechanized caving mining in thick coal seam with thick dirt band

CHENHaibo,CAORenju

Aimed at improving the performance of the fully mechanized caving mining technology, as in the case of structurally complex coal seams, this paper, based on similarity simulation experiment, investigates movement characteristics of thick dirt band, top coal, and roof rock with structurally complex thick coal seam subjected to fully mechanized caving mining. Research shows that: thick coal seam with thick dirt band shows a more sublevel caving; position with significantly increased displacement gets much closer to the coal wall; and the top coal breaking is subjected more to thickness of dirt band, so that, in the case of dirt band of a certain thickness, sublevel caving is found to occur with little or no effect. Mining simulation observation analysis is basically consistent with measured data analysis. This study may provide a reference for the safe and efficient expansion of sublevel caving mining area.

strata movement; fully-mechanized caving mining; dirt band; thick coal seam; similar simulation

2013-10-24

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511482)

陈海波(1972-),男,黑龙江省五大连池人,副教授,硕士,研究方向:矿床开采理论与技术,E-mail:chenhaibo8@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.06.003

TD823.49

1671-0118(2013)06-0514-05

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