多煤层组重叠开采覆岩活动规律相似模拟研究

张喜铭

（山西忻州神达金山煤业有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程背景

山西忻州神达金山煤业矿区开采历史悠久，开采形式多样。在“双系”煤层群开采中，上部煤层开采后会引起回采空间周围岩层应力重新分布，使下部煤层覆岩应力发生变化[1]。121采区12102综采工作面煤层顶板属砂质泥岩或泥岩，底板为泥岩，较为稳定，整体性强。12102综采工作面井田边界都留有保安煤柱，该工作面东部为12103工作面采空区保安煤柱，西部为12101工作面回风顺槽保安煤柱，南部为井田边界保安煤柱，北部是12#煤层回风下山保安煤柱。工作面回采后，可能造成地面缓慢下沉并产生裂缝。

12#煤层煤厚1.09～2.76m，平均2.2m，煤层稳定，不含夹矸。12102工作面倾向长149.3m，走向长度1240m，沿煤层走向推进，属于走向长壁后退式综采工作面，采用走向长壁全部垮落、一次采全高的采煤方法。本文基于相似模拟试验手段揭示覆岩位移、裂隙及应力演化分布规律，获取上覆区域岩体空间分布形态，为下部煤层后期开采中的支护控制提供指导。

2 相似材料配比强度测试试验及试验模型

（1）试件单向抗压强度测试

考虑到12102综采工作面顶板覆岩砂质泥岩或泥岩的性质，本试验以沙子为骨料，以水泥、石膏与石灰为胶结料，硼砂为缓凝剂，制作单向抗压强度标准试件[2]。试件的标准参数选择为直径5cm，高度10cm，体积196.25cm3，圆柱形模具，三个标准试件为一组，并结合材料计算出每组标准试件的总质量。按照既定配比参数，制定好的标准试件在室内自然环境下养护，其中砂、石膏、水泥配比试件养护7d，砂、石膏、石灰配比试件养护3d。试件养护结束立即进行力学性质测定。试件单向抗压强度试验设备为WAW-600C型微机控制电液伺服万能试验机，单向抗压强度R（MPa）的计算公式为：

式中：

P-标准试件破坏载荷，kN；

F-标准试件初始截面积，cm3。

试验中对试件单向抗压强度测试结果进行记录，完成试验曲线图。

（2）试件单向抗拉强度测试

单向抗拉强度试件的标准参数为直径5cm，厚度2.5cm，圆盘形。试验开始时，将试件进行处理，在试件直径两端沿轴线方向画两条平衡线，作为试件试验中的加载基线。将试件基准线对准夹具上、下刀刃，放入夹具并固定好，并将夹好的试件放入材料试验机，并确保二者中心线一致。之后对试件进行荷载试验，缓慢加载至试件破坏。试件单向抗拉强度的计算公式为：

式中：

R1-试件单向抗拉强度，MPa；

D-试件直径，cm；

L-试件厚度，cm。

对试验结果进行记录统计，并完成试验曲线图。

（3）相似模拟试验模型

结合12102综采工作面属性特征与开采环境、开采技术等信息，本文试验采用ZYDL-YS200微机控制伺服岩体平面相似材料模拟试验系统，并依据试验装置的尺寸数据、试验模拟开采范围数据，设计合理的模型。模拟试验中，严格按照各煤层实际模拟尺寸进行模型铺设施工。相似模拟岩层厚度、对应材料配比、容重相似比、几何相似比、时间相似比、应力相似比等参数，需严格结合试验需要设置。在整个模拟试验过程中，对模拟煤层开采中裂隙发育过程的监测，需用高清数码相机监测，应变测值的采集则采用三维光学静态变形测量系统[3]。为反映12102综采工作面的真实情况，以及煤层和岩层变化趋势与大小，在相应位置设置应力监测点，布置在支承煤柱与覆岩关键层位置，埋设位置与数量则结合实测数据的试验模拟化进行设置。

3 开采试验结果分析

（1）石炭系近距离煤层群开采试验结果

神达金山煤业矿区石炭系煤层群采用走向长臂式与房柱开采交错布置，12102综采面12#煤层至13#煤层开采试验结果显示，12#煤层采用走向长壁式开采时，从测线变化来看，初始阶段1～3测线纵向间距相等，随着开采的进行，测线2与测线3间距出现变化，明显增加，覆岩开始呈现垮落下沉的迹象，说明测线3处于冒落带位置（图1）。

随着工作面的推进，在走向长壁开采过程中，顶板发生周期性垮落，而且覆岩层间出现裂隙。随着裂隙的不断发育，顶板呈现弯曲下沉和断裂加大。在整个试验过程中，覆岩裂隙随煤层采出而呈现动态化趋势，表现出覆岩裂隙产生、扩展、发育的共性规律。不同煤层采用何种采煤方式，使覆岩破断呈现不同的特点，当上下部煤层均采用走向长壁式开采时，由于煤层间距近，且覆岩经历双重卸压，易引发上部煤层顶板二次垮落，最终使覆岩裂隙发育范围较广（图2）。

图1 走向长壁式开采断裂和弯曲下沉图

图2 煤层群开采模型局部放大

随着模拟试验的不断进行，石炭系近距离煤层群各监测点应力数据不断变化，煤层以走向长壁式开采以后，测点应力加大，支承煤柱应力集中系数大幅降低，原因在于上下层间岩层起到了应力分散作用，但这进一步加大了岩层垮落的可能性。尤其在走向长壁式开采模式下，上部开采使工作面形成大面积高应力区，多煤层则导致覆岩多重应力叠加，使得下部面临更复杂的矿压控制与支护问题。

（2）石炭系厚煤层开采试验结果

位于下部煤层的石炭系煤层群，随着开采空间的不断加大，位于直接顶位置的测线14则发生明显的动态化变化，测线14下沉值明显高于其他测线。随着工作面推进，测点下沉值开始变化，工作面推进越远，测点下沉值越大。当工作面推进到147m时，关键岩层开始垮落。随着下部石炭系煤层开采进行，上部石炭系煤层受到扰动影响，覆岩整体性进一步破坏（图3）。石炭系煤层与石炭系煤层开采不断进展，二者岩层裂隙开始出现相互连通现象，关键层开始冒落，岩层大面积垮落。也就是说，当石炭系与石炭系煤层群工作面不断推进后，整个煤区形成复杂的多层采空区连通状态，一旦上部煤层出现积水或有毒有害气体，将直接影响下部煤层。

图3 石炭系煤层顶板垮落破碎形态

从模拟试验可知，不同层位的超前支承压力分布不同，层位越高，支承压力峰值越大，距煤壁距离越大；层位越低，支承压力峰值越小，距煤壁距离越小。

4 多煤层组重叠开采覆岩活动规律系统分析

从本文的多煤层组重叠开采相似模拟试验结果可知，相对于单一煤层开采，多么层组重叠开采更加复杂，其相应的覆岩活动也更复杂多变，且不同煤层的开采进度会产生相互影响作用。实践开采工作中，煤层的上覆系统是由其直接上覆岩层与上煤层加上煤层覆岩层而构成的，因此下部煤层开始开采时，上覆系统若有多个煤层已开采，而且其覆岩发生垮落，则待采的下部煤层的上覆系统将对其直接上覆岩体产生复杂的应力或形变影响。但在实际开采中，通常是先开始浅部煤层，自上而下的进行，这会使每个煤层随时间而趋于一个平衡状态。周而复始，直至煤层群开采完毕。

模拟试验及结果分析，对神达金山煤业矿区121采区的采煤工作具有积极的作用，尤其是对工作面掘进中的矿压控制和支护具有较高的价值。通过模拟试验发现覆岩活动规律，并对应设计支护方案，有效地保证了神达金山煤业矿区的采煤工作效益。