水下综放工作面煤层运移规律相似模拟的研究

2014-07-30闫勇生

山西焦煤科技 2014年8期

闫勇生

(霍州煤电集团洪洞悦昌煤业有限责任公司，山西洪洞 031600)

霍州煤电集团洪洞悦昌煤业公司主要开采位于地侵蚀基准面以下的煤层，附近无大的地表水，地形地貌有利于自然排水。浅部地层是分布极不均匀的第四系松散层，厚度在0～44.70 m，平均15 m，主要为不含水的透水层，在平坦开阔的低洼地带，含有孔隙潜水。深部是裂隙不发育的煤系地层，地下水补给条件差，以静储量为主。矿床含水层单位涌出量小于0.01 L/s·m，含水层富水性差。综合分析，该矿水文地质类型以孔隙、裂隙含水层为主的中等水文地质条件。

相似模拟是建立与原型相似的材料模型,间接通过实验来研究客体原型。模拟实验可以根据实际矿井的具体因素来人为地改变试验条件，从而可以获得比较接近的数据和相应的矿床水下上覆岩层的规律。

1 模型实验原理及基本参数的确定

1.1 模拟研究的目的

根据该矿井观测的数据，分析综放工作面采场上覆岩层的基本规律，再通过相似模拟实验，最终得出综放工作面普遍所遵循的规律，为在水体下顺利安全开采提供合理可靠的依据。

1.2 模拟技术

该矿井大部分可采煤层为2-3、10-11号煤，其顶、底板岩石结构主要包括砂质泥岩和泥岩，局部由粗砂岩和细砂岩组成。根据实际地质条件，建立正确的模型规格。试验台尺寸为：长×宽×高=4 200 mm×250 mm×2 000 mm。模拟的岩层主要以砂质岩为主，该煤矿的2-3煤层上覆岩层力学性质见表1。

表1 该煤矿2-3煤层上覆岩层性质表

1.3 模型设计

实验设计的模型见图1，为了更好地研究不同采高条件下顶板的垮落和三带分布，特别是导水裂隙带高度，为水体下安全采煤提供科学依据，实验安排4组模型，采高分别为3 m、4 m、5 m和7 m。试验模型总厚度为140 cm，各煤岩层的实际尺寸严格按几何比折算后的厚度来铺设施工。每次铺设厚度不大于2 cm ,尽量使其平稳均匀，以保持较好的煤层倾角，层与层之间撒云母粉使模型层理分明。

图1 实验模型图

2 相似模型的观察及测试

水体下矿床上覆岩层导水裂隙带高度的相似材料模拟研究关键在于掌握煤层上覆岩层的移动破坏规律，确定导水裂隙带的位置。本实验采用7V14数据采集系统、数据分析系统、结果输出系统采集和分析实验数据。

2.1 采高3 m厚情况

模型体中黑色部分代表煤层，煤层厚度3 m，同时布置了10 m×10 m的观测点。为消除边界效应，选择距离煤层上边界50 m处开切眼，模拟工作面的回采过程。通过相似模拟实验可以观测到工作面自开切眼推进至35 m处时，顶板发生垮落，垮落的厚度为3～4 m，根据实验结果判定采高为3 m时，工作面的初次来压步距为35 m。工作面继续向前回采，当工作面推进至120 m时，顶板发生周期垮落；根据试验垮落情况，工作面的周期来压步距为10～15 m。实验分别测试工作面回采到140 m和180 m时垮落带和导水裂隙带的分布情况，以实验中斜向贯通裂隙发育最大的高度作为导水裂隙带高度，以周期垮落的岩层作为垮落带高度，垮落带高度和导水裂隙带高度分别为15 m和48 m,见图2。

图2 3 m采高垮落带及导水裂隙带分布图

2.2 采高4 m情况

第二个相似材料模型把采高改为4 m。黑色部位代表煤层，进行同样的操作，当工作面推进至35 m时，顶板开始发生垮落，因此，根据实验判断顶板的初次垮落步距为35 m，实验中显示顶板周期垮落步距在10～15 m。根据实验4 m采高垮落带及导水裂隙带分布图，得出垮落带高度和导水裂隙带高度分别为20 m和58 m，见图3。

图3 4 m采高垮落带及导水裂隙带分布图

2.3 采高5 m情况

第三个相似材料模型把采高改为5 m。黑色部位表示煤层，进行同样的操作，当工作面推进至40 m时，顶板开始发生垮落，因此,根据实验判断顶板的初次垮落步距为40 m，实验中显示顶板周期垮落步距在10～15 m。根据实验5 m采高垮落带及导水裂隙带分布图，得出垮落带高度和导水裂隙带高度分别为24 m和67 m,见图4。

图4 5 m采高垮落带及导水裂隙带分布图

2.4 采高7 m厚情况

第四个相似材料模型采用7 m的采高。黑色部位代表煤层，继续进行同样的操作，当工作面推进至40 m时，顶板发生垮落，因此根据实验判断顶板的初次垮落步距为40 m，实验中显示顶板周期垮落步距同之前实验数据相同，也在10～15 m。根据实验7 m采高垮落带及导水裂隙带分布图，得出垮落带高度和导水裂隙带高度分别为28 m和94 m，见图5。