高抽巷合理层位相似模拟的研究*

彭晓群，石　磊，王列平(安徽理工大学测绘学院，安徽淮南　232001)



高抽巷合理层位相似模拟的研究*

彭晓群，石磊，王列平
(安徽理工大学测绘学院，安徽淮南232001)

摘要:为研究煤层开采对覆岩的移动破坏规律，获得覆岩的破坏范围，从而确定高抽巷的布设位置，以淮南刘庄矿151305工作面为研究对象，建立了倾向和走向模型。通过相似模拟的方法在煤层走向及倾向上结合应力场、裂隙场以及瓦斯场，验证对上覆高瓦斯煤层实行“煤与瓦斯共采”这一战略的可行性。通过模拟，得出煤岩体水平变形和竖直位移变化规律并监测岩体内应力变化情况，并以此为依据，确定高抽巷的位置。结果表明:从回风巷开始向采空区沿走向延伸12 cm并以55°角度向上和在回风巷处以114°角度向上的范围内，布置高抽巷时，既有利于巷道完整性的保持，同时与裂隙发育区沟通的离层裂隙也有利于采空区瓦斯的抽采。

关键词:高抽巷;相似模拟实验;采动裂隙

0　引言

煤层开采之后，上覆岩层形成的离层缝隙、煤岩体裂隙与综放采煤面及采空区相连通，根据瓦斯移动规律，来自本煤层、邻近层、采场工作面以及采空区的瓦斯会在采空区断裂带中积聚，而利用高抽巷来抽放采空区瓦斯是被实践验证过的解决采空区瓦斯问题的有效办法[1－4]，这些瓦斯在高抽巷抽放拉力的作用力下，被及时抽出，从而有效的防止上隅角的瓦斯积聚隐患，确保了煤矿安全生产。所以确定高抽巷的合理层位，有着重要的理论作用及实际意义。

通过相似材料模拟实验，分析了刘庄矿151305工作面13－1煤的开采对上覆岩层的影响、煤层下沉规律以及煤岩体内应力变化。为确定高抽巷合理层位，从而实现“煤与瓦斯共采”提供了依据。

1　模拟实验原型概况

151305工作面总体形态为一单斜构造，煤层厚度4.30 m～6.30 m(含夹矸)，平均总厚度5.14 m，平均净煤厚4.76 m;煤层走向60°～70°，走向上起伏较小，倾向150°～160°，倾角7°～12°，平均倾角为10°。该工作面设计轨道顺槽可采倾斜长约为1 252m，预计轨道顺槽13－1煤层开采底板标高约为－702 m～－490 m;设计胶带顺槽可采倾斜长约为1 252 m，预计胶带顺槽13－1煤层开采底板标高约为－693.9 m～－498 m;设计工作面切眼长约为300 m;工作面平均可采平面积约为375 600 m2。1513采区(西翼)13－1煤层实测最大瓦斯压力0.3 MPa，实测煤层瓦斯含量为Wmax =3.6 739 m3/t，煤的瓦斯放散初速度p =10～11，坚固性系数f =0.72～1.44。

2　模型的设计与制作

本次相似材料模拟试验，按照1∶100的比例进行制作。考虑制作工艺和材料来源的方便，骨料选用河砂，胶结料选用石灰和石膏，分层材料选用云母粉。改变骨料和胶结材料的成分，可以模拟不同类型的岩层。在对刘庄矿151305工作面地质特征和开采技术条件分析的基础上，依据刘庄矿煤岩柱状、采厚、回采工艺和开采参数建立了走向平面模型和倾向平面模型。由于模型尺寸的限制，模型共71分层。因篇幅有限，仅列出16～28分层配比及材料用量，见表1。

模型的设计与制作步骤如下:

1)相似参数的确定。根据相似理论，经过计算后确定的相似比，见表2。

2)通过全站仪放样，各确定4个控制点;并设置3条倾斜观测线。走向模型3条观测线从下到上依次编号为1#、2#、3#，倾向模型3条观测线从下到上依次编号为4#、5#、6#。两模型中的3条观测线分别距151305工作面煤层顶板20 cm、60 cm和80 cm。在倾向模型中，3条观测线相邻点间的直线距离为15 cm，计60个测点。在走向模型中，3条观测线相邻点间的直线距离为20 cm，计60个测点。不管是倾向模型还是走向模型各测线均沿层理布置。

3)为考察开采过程中开采边界的应力变化规律，在倾向模型的开切眼、收作线以及工作面中部法线方向上距离其20 cm、60 cm、80 cm处各布置2个应力观测点，共计18个应力观测点。在走向模型的回风巷、运输巷以及工作面中部法线方向上距其20 cm、60 cm、80 cm处各布置1个应力观测点，共计9个应力观测点。

4)回采程序设计。设计倾向模型工作面的倾斜长度为2 245 mm，上山段留有400 mm的煤柱，下山段留有450 mm的煤柱，见图1。设计走向模型工作面的水平长度为3 000 mm，左右边界均留设500 mm的保护煤柱，见图2。为观测倾向泄压规律，采用一次工作面倾斜全长开采，从模型的右边开始，模拟走向长壁综采全部垮落法开采。

表1　模型材料用量表Tab.1 Material dosage of model

表2　模型尺寸及相似比Tab.2　Size and similarity ratio of model

3　实验结果分析

3.113－1覆岩裂隙特征及高抽巷布设位置

从实验中可以得到，对于倾向模型，直至开采结束，冒落带的高度为21 m左右，为采高4.2倍。在开切眼上山方向的覆岩中，受拉应力作用，采动裂隙从煤层顶板开始以与层理方向成109°的角度向煤层顶板上方发展至距煤层顶板大约40 cm处，然后又以与层理方向成49°的角度继续向上发展，此区域的裂隙多以竖直裂隙为主。在开切眼下山方向的覆岩中穿层裂隙和离层裂隙分布均为明显且相互沟通，裂隙张开度较大，覆岩基本呈直线形断裂，裂隙发育高度较大，裂隙带高度大约为80 m，为采高的16倍，裂隙最大传递角为49°。在停采线处的覆岩中向上发展的相互连通的离层裂隙和穿层裂隙滞后于停采线大约60 cm，以与层理成约为47°裂隙最大传递角向上发展;采动裂隙从煤层顶板开始以与层理方向成102°的角度向上发展至距煤层顶板大约105 cm，此区域的裂隙多为离层裂隙，几乎未与穿层裂隙沟通，见图1。

图1　倾向模型Fig.1 Dip model

对于走向模型，当采煤至运输巷时，导水裂隙带最大发育高度没有变化。在回风巷和运输巷之间从煤层顶板往上26.1 cm范围内岩层破坏剧烈，在此范围内布置高抽巷时，巷道极易破坏而且瓦斯抽采效果难以保证，因此，不建议在此高度范围内布置高抽巷。从回风巷开始向采空区沿走向延伸12 cm并以55°角度向上和在回风巷处以114°角度向上的范围内，覆岩中主要以离层裂隙为主，虽出现了少量穿层裂隙，但皆未与离层裂隙沟通。而且，这一区域内出现的离层裂隙却都与采空区上方裂隙发育区沟通。因此，在此范围内布置高抽巷时，即有利于巷道完整性的保持，同时与裂隙发育区沟通的离层裂隙也有利于采空区瓦斯的抽采，见图2。

3.2应变力分布规律

对于倾向模型，在开切眼处，煤柱上方的岩层总是处于压缩状态，而且随着工作面的回采，压缩应变逐渐增大。在采空区中部上方覆岩中，采动开始作用时间和卸载开始时间皆随距煤层顶板越远，采动向上影响越慢。在停采线处，随回采工作面推进，测点岩层压缩应变一直在增大，直至开采结束为最大。从不同位置应力监测可知距煤层顶板越远，采动影响越小，见图3。

图2　走向模型Fig.2　Strike model

图3　倾向模型应变力Fig.3　Stress of dip model

对于走向模型，回风巷附近上方的岩层总是处于压缩状态，而且随着采煤机割煤前移，压缩应变逐渐增大。至监测结束测点应变基本稳定。从工作面中部上方的的3处监测数据可以看出，在采煤机割煤约1 000 min～1 500 min时覆岩破坏，测点应变突然减小，再慢慢上升。这是由于随着采煤的进行，应力监测点突然垮落，而后上覆岩层再对其进行压实。在运输巷附近，其上方不同层位的岩层其应变随采煤机割煤测点应变几乎都在增大，且变化趋势基本一致，见图4。

图4　走向模型应变力Fig.4　Stress of strike model

3.313－1煤岩体水平变形及下沉规律

1#、2#、3#、4#、5#、6#测线最终下沉曲线比较，如图5所示。1#－2#、2#－3#差异下沉曲线，如图6所示。由于观测过程中模型的垮落问题，4#观测线中的14、15号点以及6#观测线中的9、10号点均丢失，无法进行差异下沉和水平变形的计算，在此仅给出1#、2#、3#测线水平移动(见图7)和差异下沉曲线。

图5　1#、2#、3#、4#、5#、6#线最终下沉曲线Fig.5　Final subsidence curves of observatior lines No.1,2,3,4,5 and 6

图61　#-2#、2#-3#线差异下沉曲线Fig.6　Difference subisidence curves both 1#-2# and 2#-3#

图71　#、2#、3#观测线最终水平变形曲线Fig.7　Final horizontal deformation curves of observation line No.1,2 and 3

从图5可知，1#、2#、3#线的下沉曲线总体呈现碗型，且形状相似，1#线15号点下沉值最大，为65.49 mm。只是离开采工作面的距离越远，其总体下沉幅度越小。由于监测点均分布在上覆岩层上，被监测煤岩体均呈现出膨胀变形的状态。4#观测线总体呈现碗型，9号点为最大下沉点，下沉值为65.49 mm。5#观测线下沉曲线呈现V状，9号点为最大下沉点，下沉值为50.91 mm。

从图6可知，1#、2#线的下沉曲线呈现系统的差异性质，说明1#、2#号线之间产生了拉伸变形，最大拉伸量为56.35 mm。2#、3#号线产生了相对较小的拉伸变形，最大变形量为23.65 mm。故判断断裂带顶部位于3#线之上。

由7图可知，1#线在采空区边缘产生了压缩变形，最大压缩值为0.80 mm/cm，在采空区中央产生了拉伸变形，最大拉伸值为0.25 mm/cm; 2#线在采空区边缘为小于0.017 mm/cm的压缩变形，采空区中央为小于0.012 mm/cm的拉伸变形; 3#线在采空区边缘产生了小于0.018 mm/cm的拉伸变形，采空区中央产生了最大值为0.099 mm/cm左右的压缩变形。

4　结论

根据此次相似模拟实验，得到以下结论:

1)得知被保护层在保护层法向影响范围内的泄压效果。确定高抽巷可布置在从回风巷开始向采空区沿走向延伸12 cm并以55°角度向上和在回风巷处以114°角度向上的区域内。

2)比较20 cm、60 cm、80 cm处顶板应变力随时间变化关系可以看出，随测点距离煤层顶板越远应变增幅越少，且应变起增点时间越靠后，说明覆岩变形破坏从下而上具有明显的滞后性，进而说明了岩层变形破坏是按分层进行的。

3)1#线在采空区边缘产生了压缩变形，最大压缩值为0.80 mm/cm;在采空区中央产生了拉伸变形，最大拉伸值为0.25 mm/cm。1#、2#线的下沉曲线呈现系统的差异性质，说明1#、2#线之间产生了拉伸变形，最大拉伸距离为56.35 mm。2#、3#号线产生了相对较小的拉伸变形，最大变形量为23.65 mm。故判断断裂带顶部位于3#线之上。1#、4#线最大下沉值均在66 mm附近; 2#、5#线最大下沉值均在50 mm附近。符合理想情况下，走向和倾向综合下沉规律。

[参考文献]

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Study on Similar Simulation Experiment of Reasonable Horizon of High Pumping Lane

PENG Xiao-qun，SHI lei，WANG Lie-ping
(School of Surveying and Mapping，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)

Abstract:The purpose of this paper is to study the movement and destruction law of coal mining for the overlying strata，and obtain its damage range so as to detemine the location of the high pumping lane.By taking No.151305 mining face in Liuzhuang Coal Mine of Huainan as a research object，the strike and dip models of the face were estiblished.It verified the feasibility of simultaneous extraction of coal and gas by the method of similar simulation combined with stress field，fissure field and gas field in the strike and dip.Through simulation，it determined the location of high pumping lane on the basic of the coal rock horizontal deformation and vertical displacement law，and the change of rock stress.The results showed that it is in favor of keeping the integrity of the high pumping lane and the layer cranny that communicated with fractured zone is also conducive to drainage gas in goaf if arranged the high pumping lane in the area from the return air lane began to goaf along the strike extension of 12 cm and with an angle of 55 degrees up to return airway of between an angle of 114 degrees upward.

Key words:high pumping lane; similar simulation test; mining induced fissure

作者简介:彭晓群(1991～)，女，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究方向:变形监测与数据处理、土地复垦。

*收稿日期:2015－03－12

文章编号:1007－9394(2015)02－0015－04

文献标识码:A

中图分类号:TD 823.82