薄基岩工作面开采物理相似模拟研究

曾一鸣(山西高河能源有限公司，山西 长治 046205)

薄基岩工作面开采物理相似模拟研究

曾一鸣
(山西高河能源有限公司，山西 长治 046205)

对某煤矿薄基岩工作面取样，进行覆岩岩性分析及岩石物理力学参数测试，同时对顶板覆岩结构做钻孔窥视分析，以此来研究薄基岩回采巷道的稳定性影响因素；通过物理相似模拟试验，研究薄基岩工作面开采过程中覆岩移动破坏规律，得出薄基岩区域工作面覆岩岩层整体性差，覆岩垮落类似于整体弯曲下沉，覆岩悬而不落。该矿21406工作面薄基层覆岩垮落高度约为正常基岩的2.1倍，21203工作面薄基岩覆岩垮落高度约为正常基岩的1.8倍。该结论可为该矿薄基岩工作面岩层控制提供指导。

薄基岩工作面；覆岩结构分析；物理模拟；对比分析

在我国，许多矿区都存在薄基岩地质条件的煤层，如神东矿区、永城矿区、济宁矿区等[1-3]. 目前的研究主要集中在薄基岩工作面开采沉陷规律[4]、防水煤柱留设等[5]. 本文针对某矿特定条件，通过相似模拟实验，研究了常规工作面和薄基岩工作面覆岩移动规律，对比分析了二者的不同，为该矿薄基岩工作面岩层控制提供指导。

1 现场概况

某煤矿21406工作面及21203工作面均含有厚松散层薄基岩，两工作面煤层平均厚度3 m，为中厚煤层；工作面煤层无大倾角，平均倾角7°，为近水平煤层。厚松散层薄基岩区内其工作面煤层无特殊构造，构造发育简单。

为了研究该煤矿厚松散层薄基岩区工作面覆岩力学性质，在该煤矿21406工作面Z4#钻场设置覆岩取样点。Z4#钻场处于21406工作面中间巷，距巷道口440 m. 其岩芯取样地点见图1. 岩芯钻孔位置、长度及角度见表1. 薄基岩段顶底板试样力学参数见表2.

根据该矿薄基岩覆岩取样及力学性质实验结果可知，厚松散层薄基岩区覆岩主要为泥岩，岩层均较薄，其覆岩单层最大厚度低于4 m，且强度偏低，其覆岩抗压强度最大仅为21.79 MPa，薄基岩区工作面覆岩不能形成稳定的砌体梁结构，故其不具备支撑上覆松散层重量的能力。

图1 厚松散层薄基岩覆岩岩芯取样位置图

表1 岩芯钻孔位置、长度及角度表

2 模拟计算结果分析

本文物理模拟实验应用的模型为平面应力模型，按照研究原型的几何尺寸，确定物理模拟实验模型的几何尺寸长5 000 mm×高1 700 mm×宽300 mm. 考虑实验架的边界条件影响，模型工作面只开挖中部4 000 mm范围，两端各留设500 mm的边界影响区域，中间留设的隔离煤柱长420 mm，即模型模拟的工作面的开采长度为358 m；该模型工作面模拟煤层厚度3 m、底板厚度为18 m，覆岩厚度为149 m. 模拟工作面的最大埋深为410 m，原岩的垂直应力为10.25 MPa，物理模型没有设计铺设至地表面，还有厚度261 m的覆岩松散层未模拟，模型还需外部再加载0.039 MPa的垂直应力。

表2 薄基岩段顶底板试样力学参数表

矿井实际地质条件中，工作面顶板上覆岩层从正常基岩区到薄基岩影响区的地质条件存在一个渐变过程，因而，整个模型铺设时分为正常基岩区模拟段、过渡区模拟段和薄基岩影响区模拟段、过渡区模拟段、正常基岩区模拟段共5个部分。其中过渡区模拟段又划分为30 m过渡区模拟段以及45 m过渡区模拟段。薄基岩区留设42 m保护煤柱(图2中虚线标示区域)。模型尺寸示意图见图2.

图2 某煤矿厚松散层薄基岩物理模拟模型设计图

该矿物理模拟模型图见图3. 模型21406工作面研究区域在第2次回采移架后，直接顶即在支架后方产生2 m的离层，同时，基本顶在支架后方产生3 m的离层；研究区域进行第3次的回采移架后，直接顶出现了初次跨落，其跨落长度为11 m，此时，基本顶离层延伸扩展到14 m，基本顶在支架后方产生0.5 m裂隙，见图4. 模型21203工作面研究区域进行第3次回采移架后，直接顶出现初次跨落，其跨落长度为5 m，见图5.

图3 某矿物理模拟模型图

图4 21406工作面直接顶初次垮落图

图5 21203工作面直接顶初次跨落图

随着工作面回采长度的不断增加，模型21406工作面研究区域在第5次开采后(工作面向前开采到约30 m)，基本顶显现出弯曲下沉的现象，此时，基本顶离层长度延伸到24 m，支架后方基本顶裂隙扩展到1.3 m，出现了跨落，其跨落长度为12 m；在第6次开采后(工作面向前开采到约35 m)工作面基本顶发生跨落，此为初次垮落，其跨落步距为22 m，此时覆岩离层发育到煤层覆岩第3层，细粒砂岩层，长25 m，见图6. 对于21203工作面研究区域，煤层回采过程中，没有出现明显的基本顶初次跨落迹象，在回采薄基岩影响区的过程中，该工作面顶板表现出弯曲下沉，顶板虽然明显离层，但悬而不掉，见图7.

图6 21406工作面基本顶初次跨落图

图7 21203工作面基本顶离层弯曲图

随着工作面不断向前开采，工作覆岩裂隙继续向上发育。在第7次回采后，21406工作面研究区域工作面覆岩第3层顶板细粒砂岩层发生跨落，跨落步距29 m；而21203工作面研究区域覆岩发生弯曲下沉，煤层顶板铝质泥岩层出现下沉，与上覆岩层产生较大离层。当第8次回采后，21406工作面研究区域的基本顶出现周期跨落，其跨落步距为10 m；而21203工作面研究区域煤层顶板的离层发育到煤层顶板覆岩18 m处，长15 m，见图8，9.

图8 21406工作面第8次回采图

图9 21203工作面第8次回采图

在第9次回采后，21406工作面研究区域煤层覆岩第5层顶板发生跨落，距煤层高度15 m，跨落的长度为25 m，此时，顶板跨落角度约为61°，工作面支架后方产生了部分微小裂隙，距煤层顶板高度21 m处产生微小的离层，离层长度约为8 m；21203工作面研究区域工作面支架上方产生大量裂隙，顶板跨落角73°，离层发育到煤层顶板上方松散层，其在煤层顶板上方25 m、28 m、32 m处出现离层，分别长28 m、25 m、10 m，其中，28 m处顶板离层较大。见图10，11.

图10 21406工作面第9次回采图

图11 21203工作面第9次回采(开挖50 m)图

在第10次回采后，21406工作面研究区域离层发育到煤层上方31 m处，长17 m，此时，煤层顶板覆岩高度27 m处出现较大离层，离层长度为20 m，顶板跨落角为61°；21203工作面研究区域出现整体切落，岩层之间无法形成稳定结构，顶板离层进一步扩大，其中32 m高度离层长度发展到18 m，此时，顶板跨落角为75°，分别见图12，图13.

图12 21406工作面第10次回采图

图13 21203工作面第10次回采图

当第17次回采后，21406工作面研究区域工作面上方离层发育至工作面上方36 m，长20 m；21203工作面研究区域采场后方的采空区覆岩离层发育至工作面覆岩高度37 m处，离层长度为10 m，分别见图14，图15.

图14 21406工作面第17次回采(开挖90 m)图

图15 21203工作面第17次回采(开挖90 m)图

在第25次回采后，21406工作面研究区域工作面上方42 m处出现较大裂隙和离层，其发育高度已达到松散层；而21203工作面研究区域工作面上方离层发育至38 m. 薄基岩段的开采过程中，直接顶、基本顶及上覆岩层在工作面的回采影响下，岩层整体性较差，垮落步距减小，难以形成稳定的顶板承载结构，不能支撑上覆岩层的重量。见图16，17.

图16 21406工作面第25次回采(开挖130 m)图

图17 21203工作面第25次回采(开挖130 m)图

从以上分析可以看出，薄基岩段工作面回采过程中，在3次回采后，基本顶便发生断裂，顶板垮落步距并不明显，在采煤移架之后，顶板岩层随即产生裂隙，顶板离层现象更为明显。

从岩层回采时的离层高度来看，对比模型前9次回采，正常基岩段的岩层离层发育至工作面上方约21 m处，而薄基岩段岩层离层发育至工作面上方约32 m处。同时，正常基岩段工作面上覆岩层完整性较好，可以形成一定的承载结构，岩层垮落远滞后于工作面的回采过程；薄基岩段的工作面顶板岩层整体性差，在回采工序结束后，顶板在较短时间内发生离层垮落，稳定性差。

3 结 论

1) 通过相似模拟实验可以发现，相较于正常基岩回采，薄基岩区域工作面覆岩岩层整体性较差，垮落步距小，跨落高度高，难以形成稳定的顶板承载结构支撑上覆岩层重量，其顶板跨落角较大，覆岩跨落更类似于整体弯曲下沉，覆岩悬而不断。

2) 对于21406工作面而言，其薄基岩覆岩跨落高度约为正常基岩的2.1倍，而对于21203工作面而言，其薄基岩覆岩跨落高度约为正常基岩的1.8倍。

[1] 孟凡非，浦 海，陈家瑞，等.基于颗粒离散元的薄基岩裂隙扩展规律[J].煤炭学报,2017(02):421-428.

[2] 贾后省，马念杰，赵希栋.浅埋薄基岩采煤工作面上覆岩层纵向贯通裂隙“张开—闭合”规律[J].煤炭学报,2015(12):2787-2793.

[3] 王海波.司马煤矿薄基岩导裂带高度主控因素研究[J].山西焦煤科技,2017(04):12-15+35.

[4] 李 磊.榆林矿区浅埋深厚土层薄基岩煤层开采覆岩破坏规律研究[J].煤矿开采,2017(03):62-64+103.

[5] 张永刚，李运江，刘延欣，等.厚松散层薄基岩下煤柱留设类型转变研究[J].煤炭技术,2017(05):63-65.

ResearchonPhysicalSimilaritySimulationinThinBedrockWorkingFace

ZENGYiming

By sampling thin bedrock in a coal mine working face, analysis and test for physical and mechanical parameters of rock lithology are conducted, together with the research for the roof strata structure by boring hole, so to have a detail study on the factors that influence the stability of thin bedrock roadway.

Thin bedrock working face; Overlying rock structure analysis; Physical simulation; Comparison and analysis

·试验研究·

2017-07-24

曾一鸣(1984—)，男，山西长治人，2017年毕业于中国矿业大学(北京)，工程硕士，助理工程师，主要从事煤矿生产管理工作(E-mail)ghnyzym@163.com

TD323

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1672-0652(2017)10-0026-04