综放开采坚硬顶板弱化物理模拟研究

史文豹，常聚才，李 彦，殷志强，李 冬

(1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.淮南师范学院机械与电气学院，安徽 淮南 232001)

坚硬顶板综放工作面是属于厚煤层开采方式，采高较大，且覆岩为坚硬岩层，随工作面的回采难以及时自然跨断冒落，易于形成大面积悬顶，当其跨断冒落时往往会产生较强的冲击能量，进而可能诱发冲击地压以及工作面液压支架急速下缩直至压架事故的发生[1-2]。为此，众多专家学者针对坚硬顶板破断运移特征进行了大量研究，成果包括各种大空间采场岩层结构模型[3]、坚硬厚层顶板群结构的破断冲击效应[4]、坚硬顶板条件下大采高工作面矿压显现规律等[5-7]。而在坚硬顶板弱化管理方面，超前深孔预裂爆破技术已得到广泛应用[8-9]，但针对坚硬顶板综放开采工作面超前深孔预裂爆破效果往往采用理论分析、数值模拟、现场矿压数据等方法进行研究，往往不够直观，其爆破后覆岩运移特征特征与爆破前的区别难以直观有效的明确，因此本文以中国永陇矿区招贤煤矿1307坚硬顶板工作面煤层开采为研究背景，采用物理相似模拟试验方法，对比研究常规回采条件与顶板弱化管理后采场覆岩运移破断特征，为后续巨厚坚硬顶板综放工作面安全高效开采及矿压控制提供实验依据。

1 地质概况

招贤煤矿1307工作面位于井田首采区东南翼，东面为未开采区，南面以梨家沟村保护煤柱为界，西面为北翼带式输送机大巷，北面紧邻麦里沟向斜，地表标高为1 393.2～1 471.4m。工作面回采侏罗纪延安组3煤层，煤层倾角3°～17°不等，平均倾角9°，工作面回采范围内全煤厚为4～15m，平均厚度10.33m。煤层硬度系数2～4；覆岩赋存有多层坚硬顶板，其中砂质岩性岩层占90%～95%，多以粉砂岩、细砂岩、中粗粒砂岩为主，顶板岩层坚硬完整，顶底板岩性如图1所示。

图1 1307工作面煤层及顶底板岩层综合柱状图

2 试验模型设计

2.1 顶板弱化模拟设计

现场实施深孔预裂爆破软化顶板技术主要在于通过不同水平距离扇形布置的爆破孔对煤层顶板覆岩进行爆破，多爆破孔在爆破区域内形成的破坏应力波和高压气体的相互叠加，使得爆破孔一定范围内裂隙的扩展与贯通，进而实现煤层顶板坚硬岩层整体性的物理弱化[10]；基于此，在采场相似模拟试验过程中，可以采用岩层中添加竖直放置的塑料薄片方式对采场顶板坚硬岩层进行弱化，用以模拟采场覆岩深孔预裂爆破弱化顶板，为此，首先通过三点弯断裂试验分析塑料薄片放置前后对试块强度弱化的影响，试块长×宽×高=100mm×50mm×50mm，试块如图2所示，三点弯曲断裂荷载-位移曲线如图3所示。由图2可知，弱化前后的试样三点弯曲断裂的平均峰值荷载分别为6.98kN和2.32kN，试样断裂的的峰值载荷降低至约30%，表明试样中部埋入一半厚度的薄片可以模拟坚硬岩层弱化效果。

(a)未弱化试块 (b)塑料薄片弱化后试块图2 弱化对比试块

图3 试块弱化前后三点弯曲断裂荷载-位移曲线

2.2 相似模拟试验模型

考虑到现场回采是采用综放开采的形式对煤层进行回采，结合实验室条件和本次试验研究的内容，本次相似模拟试验主动减少了放煤步骤，对采高实现一次采出(采出率按照80%[11-12])，几何相似比为Cl=Lp/Lm=100，动力比例系数为Cγ=Cp=ρp/ρm=1.7，应力相似比为Cσ=σP/σm=Cl×Cγ=170。同时为实现顶板弱化对比，增设了一台相同材料模型，模型老顶采用一定措施进行强度弱化，常规采场覆岩与弱化采场覆岩分别为工况一和工况二。实验室相似模拟选用平面应力实验平台，模型长×宽×高=3.0m×0.03m×1.3m，即模拟岩层高度为130m，其余上覆岩层按照重量补偿载荷进行加载实现，因其工作面埋深平均约590m，模型上方采用配重块进行加载模拟上覆岩层重量，重量约为528kN，模拟模型、位移测点布置方案如图4所示，同时三维静态变形监测系统对相似模拟试验过程中位移变化监测。三维静态变形监测系统采用近景摄影测量技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面位移及应变的测量，并且兼容单相机二维测量。

图4 相似模型

顶板具体弱化措施：依据基本顶理论，需要模拟弱化的坚硬岩层如图5所示。在实际工作面推进过程中，工作面周期来压步距越小对液压支架的工作压力越小，初步弱化步距选择为20m/次，弱化范围至2煤底板，相当于工作面上方30m范围内，每层岩层从开切眼位置每20m弱化一次；弱化材料为有机透明塑料片，提前根据模型摊铺岩层高度及宽度进行合理尺寸裁剪，即2cm(3cm)×30cm；塑料片立放，垂直于工作面推进方向，长边一半埋入摊铺岩层中，层层依次布设，当模型干燥成型后，从模型背后将预埋塑料片抽出，从而实现对相应岩层的弱化处理。

图5 相似模拟顶板弱化位置示意图

3 实验结果与分析

3.1 采场覆岩宏观冒落特征

图6所示为工况一条件下工作面回采过程中顶板破断冒落特征。工作面推进75m时工作面出现初次冒落，从整体顶板破断特征分析，采空区覆岩周期跨断存在大小周期跨断特征，其中工作面推进至110m时发生第一次小周期跨断，而工作面推进到140m时发生第二次周期来压，其垮落步距约为小周期覆岩破断的两倍。

图6 常规条件下不同推进距离覆岩变形破断特征

图7所示为工况二条件下工作面回采过程中顶板破断冒落特征。采空区覆岩在工作面推进至55m时完成初次冒落，周期跨断步距约14m；同时工作面推进85m时在采场上覆岩层25m处出现离层，而随着工作面继续推进，采场上覆岩层中出现的离层逐渐消失。说明采用顶板弱化技术后，采场覆岩及时跨断冒落充填采空区，防止采空区产生大面积悬顶的现象。

图7 顶板弱化后不同推进距离覆岩变形破断特征

结合表1对比分析两台相似模拟采场覆岩垮落宏观特征，受顶板弱化影响，采场覆岩初次跨断步距由70m明显缩小为35m，平均周期来压步距由25m缩减至14m左右，同时消除了更高位坚硬岩层受下位岩层断裂冒落联动跨断形成大周期跨断现象，跨断冒落的岩块尺度较小，更有利于对采空区充填。由此可得，采用顶板弱化管理后，工作面覆岩垮落块度、初次压力步距、周期来压步距等均有极大的改善，冒落岩块能够及时有效的充填满采空区，可以有效的避免了采场更上覆坚硬顶板随下位跨断冒落岩层突然断裂形成强冲击来压现象，可以有效地保证工作面安全高效回采。

表1 1307工作面常规回采和顶板弱化后回采参数表

3.2 工作面回采期间覆岩变形移动规律

通过选取测线2处岩层各点的位移数据，记录了工况一条件下工作面上覆30m处岩层的变形移动规律如图8所示。工作面推进至110m时，工作面上方30m处岩层垂直移动量出现大幅度增加。当工作面推进140m时，采空区30m处岩层位移再次出现台阶整体下沉现象，造成40m以上高位坚硬岩层在工作面推进140m时随其下位岩层跨断冒落而断裂下沉，进行形成第二次周期跨断现象，该现象在工作面推进至220m时再次发生。最大下沉值为6.8m。

(a)工作面上方30m (b)工作面上方40m图8 常规工作面回采覆岩弯曲下沉变形规律

通过物理切缝模拟超前深孔预裂顶板实现对综放工作面顶板弱化管理后，根据测线2和3可知工作面上覆30m和40m处岩层弯曲下沉变形规律，如图9所示。工作面上方30m和40m处岩层随着工作面回采其变形规律大致相同，工作面推进55m完成初次来压，随着工作面推进90m、160m、 220m时， 工作面上方30m和40m处岩层开始出现弯曲变形下沉， 其垂直位移最大值分别约为3.86cm和3.78cm。

(a)工作面上方30m

(b)工作面上方40m图9 坚硬顶板弱化后工作面回采顶板弯曲下沉变化规律

综上所述，采用顶板弱化后1307综放工作面上覆30m、40m处的岩层下沉趋势基本保持一致，随着工作面回采采空区覆岩及时垮落，垮落高度小于30m，采空区上方30m以上岩层会产生一定的弯曲下沉变形，从而及时有效的消除采空区空顶空间，实现整体覆岩结构的稳定；而常规工作面回采，受坚硬顶板影响，其覆岩运移破断显示出大小周期破断运移特征。

4 结论

(1)常规条件下坚硬顶板综放开采覆岩宏观破断特征呈现出“大小周期”复合破断现象，且不同高度岩层破断下沉呈现明显时滞性，垮落岩块整体性较大，有明显二次破断裂隙特征，覆岩冒落高度约52m，会显著影响工作面的安全回采。

(2)坚硬顶板弱化管理后，工作面覆岩初次跨断步距明显缩小，不同高度岩层整体协调性下沉，冒落及时，垮落块度普遍小于5m，垮落岩石碎胀程度较高，，能够有效的实现对采空区空间的充实。

(3)本次试验直观展现了工作面覆岩坚硬顶板弱化管理前后覆岩运移破断特征，并表明采用超前顶板弱化技术可以有效改善坚硬顶板厚煤层开采覆岩结构特征，及时有效的实现对采空区空间的充填，避免煤层回采对更高位坚硬岩层弯曲变形跨断的影响，更有利于工作面安全高效回采。