基于带压开采下覆岩移动破坏规律研究

2020-03-05李亚鹏

山东煤炭科技 2020年2期

关键词：离层覆岩岩层

李亚鹏

（山西保利铁新煤业有限公司，山西灵石 031300）

本文以相似材料模拟试验为基础对铁新煤矿9301工作面9#煤层进行开采，对采动覆岩的破坏进行研究分析。分析所得结论可以对以后类似矿山开采起引导作用。

1 工程概况与相似模拟试验理论及试验模型

1.1 工程概况

铁新煤矿属于保利能源控股有限公司的下属煤矿，在煤炭资源整合时划归中煤集团接管。该矿位于山西省晋中市，距离市区10km。9301工作面对应地表位置为太西村北面，距该村160～1100m，地面多为山地和农田。矿井井下北部为井田边界，相邻大佛寺煤矿，东部为9303工作面，南部为三采区三条大巷（回风巷、皮带巷、轨道巷），西部未开采。矿井年生产能力为90万t，矿井保有储量7000万t左右，煤质为优质主焦煤。

1.2 试验装置及相似模拟模型设计

通过大量对带压开采资料、文章的查询和对本矿实际情况的分析整理，可以确定本次对铁新煤矿带压开采下覆岩移动、破坏规律研究所需岩层、煤层各参数及相似模拟的材料配比如表1、2所示。

根据相似模拟理论、矿山岩层实际赋存状况、相似模拟配比关系及试验经济原则，可以确定本次带压开采下覆岩移动破坏规律的研究试验所需材料有细河沙、水泥、石膏、硼砂、云母粉及水，其中河沙和水泥及石膏是本次试验的主要材料。河沙作为骨料，主要起支撑作用，也是岩层构成的主要成分。水泥和石膏主要作为胶结材料，但水泥相对石膏而言配比用量较少，因为水泥的胶结效果比石膏要大，如配比数量较大时覆岩不容易发生离层和垮落现象，石膏相对配比较大，可以加大河沙的凝固状态。本次试验中所用的硼砂主要作用是对河沙、水泥、石膏混合物起缓凝效果。云母粉起分层作用，是为更好地模拟表1各种岩层在开采中的离层现象，不至于发生整体垮落现象。水是相似模拟试验必不可少的物品，主要是为了使各种混合物能够达到合适的湿度，在模型架上能够形成与矿山相类似的形状。当所有材料混合后加总材料重量1/10的水在小型搅拌机里进行搅拌，当搅拌均匀后对材料进行人工铺装。

表1 煤层顶、底板围岩的岩石力学参数以及材料配比

表2 煤层、顶底板及围岩岩石力学参数

通过相似模拟理论及相似定律可以确定所要研究的对象与实际工程量在各对应点和对应现象上需要满足对应量所组成的数学物理方程相同，即所比是一个常数，这个常数在相似模拟试验中称为相似常数，即：

原型物理量/ 模型物理量=相似常数

根据实验室条件和本次所要研究的内容可以确定本次试验所采用的是二维相似模拟试验台，试验台的长为1800mm，宽为200mm，高为2000mm。根据相似理论和相似定律所确定的相似常数可以得出本次试验的相似常数为200，因为相似模拟中位移常数与相似常数是一致的，由此可以得出本次相似模拟中位移相似常数也为200。所搭建模型的几何尺寸为（长×宽×高）2m×0.2m×1.32m，相当于模拟了150m厚的岩层，其上部未模拟出的岩层利用可读液压千斤顶来实现，最终完成矿山整体相似材料模拟模型的制作。

试验过程中岩层移动是通过全站仪和位移监测点进行监测的，而岩层破坏及垮落状况是通过模型照片来呈现的。如图1模型监测点布置图所示，模型正前部均匀分布的白色点为本次试验的监测点。为了简化后续试验数据处理状况，且达到研究的效果，本次相似模拟试验选取监测点为第一排和第四排，各监测点从右向左、从下到上依次为1-3、1-4、……、1-11、4-6、……4-9。

图1 模型监测点布置图

2 试验过程及结果分析

2.1 试验过程

通过对大量相似模拟试验资料和矿山实际开采状况的考察，并且为了使得本次试验与实际工程更加相符和消除试验过程中可能存在的边界效应，所以，通过以往大量的相似模拟试验论证，决定本次试验从模型右侧进行开切眼，开切眼位置位于模型右侧边界250mm（50m）处。模型模拟煤层开采采用人工开挖，每次开挖长度50mm（10m）。因此根据上覆岩层所标记的第一排和第四排监测点在开采过程中位移变化情况，来反映覆岩在竖直方向变化情况。

2.2 结果分析

由图1所示，在模型煤层右侧250mm（50m）处进行开切眼，煤层从右向左依次进行开挖。在最初采掘工作面逐步向左推进下，位于煤层上方的岩层由于受下方煤层的支撑和上部覆岩拉伸力的作用基本不发生移动破坏状况，在采掘工作面不断向左推动下，煤层上方的覆岩逐步发生离层破坏现象，并且离层现象随采掘工作面长度的加大而不断发生破坏反应。当采掘工作面向左推进到250mm（50m）时，位于煤层上方的覆岩发生第一次离层破坏垮落现象，即初次来压现象，覆岩来压长度170mm（34m），覆岩来压厚度20mm（4m），煤层上方的覆岩在第一次来压下垮落比较完整，且来压现象与实际矿山工程基本相同。通过第一次来压现象可以看出，带压开采和正常煤层开采在开采初期煤层上方的覆岩移动破坏状况是基本相同，不存在大的差异。

随着采掘工作面继续向左推进，由于煤层长度的加大从而致使后方采空区裸露范围也在不断加大。随着采掘工作面继续向左推进，在采掘推力、煤层上方覆岩的重力和来自底板下方向上的推力作用下，采掘工作面最前端的覆岩不断发生移动破坏状况，周而复始会发生断裂垮落现象，形成新的来压现象。随着采掘工作面持续向前推进，采空区裸露范围不断加大，底板会发生向上推起现象。随着采掘工作面向左继续推进，位于采空区上方的覆岩移动破坏状况明显大于之前的状况（如图2所示）。当工作面向左推进到1400mm（280m）时，开采终止后，在采掘工作面共发生9次来压现象，平均周期来压长度为127mm（25.5m）。并且在工作面推进到1400mm（280m）时，采空区上方的覆岩移动破坏基本发展到地表，覆岩垮落的左跨落角为55°，右跨落角为57°，垮落基本呈弯曲拱形状，与实际工程基本相符合（如图3所示）。

通过上述可知，随着采空区裸露范围不断加大，上部垮落的覆岩不断压实，会形成新的破坏现象。

图2 覆岩不同大小的离层裂隙

图3 开采终止之后覆岩破坏状况

随着煤层逐步从右向左开采，受开采扰动和底板向上的挤压力影响，煤层上方的覆岩逐步发生离层垮落现象，覆岩垮落高度会急速加剧。随煤层开采长度加大，覆岩垮落呈直线上升趋势。离层垮落现象呈离层-跨落-离层状况，且不断发生往复。

通过图4、5可以得出，在煤层开采到1240mm（248m）时，煤层上方的覆岩受采掘影响，垮落现象逐步延伸到了地表，但地表还没完全发生沉降。由第四排监测点数据显示，沉降数据不是很大，但是一直在发生沉降变化，直到煤层开采到140cm（280m）时，沉降基本发生到了地表。因此开采最终最大沉降值为37.68mm（7.536m）。