综放开采煤岩层运动规律相似模拟研究

孙建文

(山西圣天宝地清城煤矿有限公司， 山西 阳泉市 045100)

相似材料模拟是以相似准则为理论依据，利用人工材料配比，按一定比例缩小做成与实际原型岩石力学性质成分相类似的模型。然后在模型中模拟回采工作面实际情况，根据观察模型的变化情况对回采工作面变形、位移、破坏和岩层移动等情况加以推测和研究，这种方法称为相似材料模拟方法[1]。相似模拟实验具有操作比较简单、周期较短、可控制性高、实验可重复进行等特点被广泛应用。吴四圪堵煤矿6#煤顶板及上覆岩层难以现场实际观测。因此，通过相似模拟实验来预测吴四圪堵煤矿6#煤层随工作面推进，其顶煤及上覆岩层的变形、移动、垮落的情况，进而得出上覆岩层的运动规律，其结果对提高工作面的安全生产和采出率具有重要指导作用。

1 模型的建立

模拟吴四圪堵煤矿6#煤层情况：6#煤层位于太原组下部(C2 t)，煤炭开采面积约为31．14 km2，煤层总厚为0.51～18.15 m，平均7.01 m，可采厚度为1.35～18.50 m，平均6.08 m。在井田东南部有断距较大的断层，使煤层沿断层断开，下盘煤层受其影响未揭露[2]。吴四圪堵煤矿综合柱状图见图1。

根据实际地质情况，选择立式平面模型架较为合理，其尺寸大小为5000 mm×300 mm×2000 mm(长×宽×高)。模型采用自重加载和杠杆加载方式。按照模型尺寸及其他条件综合计算分析，并以相似理论为基准确定相似系数：模型的几何相似比(αL)为100，视密度相似比(αr)为1.6，时间相似比(αt)为10，应力相似比(ασ)为160。

图1 吴四圪堵煤矿综合柱状图

2 材料配比

按6#煤层原岩应力参数和相似理论为依据，计算得出模型各层材料不同的配比方案，经过多次方案对比，得到模型各层材料最佳配比方案。

本次实验骨料采用石英砂，胶结物采用石灰、石膏和水泥，按照材料比配表所确定各层材料用量，为使实验更接近实际情况，在所配材料中加1%的硼砂作为缓凝剂，然后将材料搅拌均匀，再添加1/9的水，分层倒入模型架中，按实验所需的视密度要求铺平，压实[3]。采用水压致裂法[4]对各岩层的岩石力学参数进行测定，见表1。

3 测点布置

装填模型过程中，将测定模型内部压力的BW-5型压力盒按设计要求安设好，并与YJ-5型静态电阻应变仪连接监测数据。然后在煤层底板上布置模型压力测点，见图2。模型装填完毕后把模板拆下，吴四圪堵煤矿6#煤层综采工作面模型制作完毕，见图3。模型制作好后，打开晾干10 d进行实验，首先将压力测点与YJ-5型静态电阻应变仪连接，然后调节仪器，记录初始读数[5]。随着工作面的推进，对所布置测定的压力变化量和模型各阶段不同的移动情况进行拍照和记录。

4 实验分析

4.1 随工作面推进顶煤的垮落规律

根据所做模型几何相似比100，工作面开切眼实际开挖位置在模型中为距模型边缘50 cm处，实际为50 m。按照实际工作面1 d的推进度，每隔2.4 h(实际为24 h)割煤一次，其高度为3 m，深度为4.8 m。

表1 6#煤层顶底板岩层物理力学参数

图2模型压力测点布置

图3 吴四圪堵煤矿综放工作面相似材料模型全貌

顶煤出现初次垮落在距开切眼12 m处，其垮落高度为4.5 m，垮落步距为13 m。此后当工作面每推进长度为4.5 m左右时，煤顶随工作面开采的过程同时冒顶，冒高为3 m。

工作面推进20 m时，老顶初次来压，煤层上方直接顶垮落，在此之前工作面后方顶煤出现大面积垮落，垮落高度7～9 m。老顶初次来压以后，随着工作面推进，工作面后方顶煤随采随冒，冒高为5 m，在模型老顶周期来压前(周期来压步距为7～14 m)，9 m厚煤层出现完全垮落，煤层垮落角度开切眼侧47°，工作面煤壁侧40°。

4.2 煤层顶板上覆岩层的垮落规律

岩顶初次垮落在距开切眼25 m处，其垮落高度(煤层上方岩层)为8 m，其垮落跨度为15 m；当工作面推进40 m时，工作面老顶2次垮落，高度(煤层上方岩层)5 m，其垮落跨度10 m。

随后工作面每推进7～14 m，老顶出现周期来压，随着工作面的推进，上覆岩层垮落高度逐渐增大，当工作面推进到132 m时，即老顶第8次来压时，岩层垮落高度为54 m，上方垮落跨度为75 m，垮落岩层最大空隙为8 m，紧接着上方老顶出现连续垮落现象，垮落高度为15 m, 岩层垮落角开切眼侧为58°，工作面侧为75°，见图4。

4.3 工作面采出率及其分析

当采场工作面从开切眼到开采12 m时，工作面采出率为20%；随着开采的继续，工作面上方顶煤随采随冒，当顶煤冒落高度4.5 m左右时，工作面采出率为60%；当老顶初次来压和周期来压前，煤顶冒落高度平均8 m，工作面采出率为84%。

4.4 工作面前方支承应力测定结果及分析

在工作面推进132 m过程中，通过1～4号测点对工作面前方支承应力进行了观测，最大支承应力集中系数范围在1.55～1.88之间，支承应力峰值点距离工作面煤壁16～20.8 m的位置。工作面前方应力增高范围为24～33.6 m，见图5。

图4 工作面推进到158.4 cm时，老顶8次来压

图5 工作面前方支承应力测定曲线

5 结 论

(1) 根据吴四圪堵煤矿6#煤层岩石力学参数测定，其开采工作面直接顶属于I类不稳定顶板，老顶属于II级来压显现明显类型。根据实验结果表明，工作面上覆岩层随采动影响，呈现明显而且稳定的冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。

(2) 顶煤在出现初次垮落时，垮落高度较小，步距较小，上覆岩层移动量小；随着工作面推进距开切眼16.5 m时，工作面后方煤顶随采随冒，上覆岩层出现离层现象，移动量逐渐增大，煤层顶板初次垮落；当老顶初次来压以后，煤层顶板极不稳定且比较破碎，垮落步距增大，上覆岩层自下而上出现断裂具有明显的分层现象；当老顶来压8次时，深层老顶自下而上连续垮落并波及地表。

(3) 在工作面推进过程中， 当工作面从开切眼到推进12 m前为工作面初采阶段，本阶段距离较短，工作面采出率较低，其余开采阶段比较正常，平均采出率近似70%。根据研究分析，煤层开采前采用预注水软化顶板或是爆破预裂顶板，以减小顶煤和顶板初次来压步距等措施来提高回采率。

(4) 工作面前方支承压力降低区离煤壁的距离为5 m，从此到煤壁深处应力呈增长趋势，直至达到峰值，其峰值位置深入煤体约16 m，工作面前方应力增高范围为24～33.6 m。

参考文献：

[1]M.B.基乐皮契夫.相似理论[M].北京:科学出版社,1995:13-16.

[2]张建全,闫保金,廖国华.采动覆岩移动规律的相似模拟实验研究[J].金属矿山,2002(8):10-12.

[3]孙前芳.综合机械化放顶煤开采技术在吴四圪堵煤矿的可行性研究[D].抚顺：辽宁工程技术大学,2007:7-8.

[4]蔡美峰.地应力测量原理与技术[M].北京:科学出版社,2000:38-47.

[5]崔广心.相似理论与模型试验[M].徐州:中国矿业大学出版社,1990:34-48..