基于相似模拟下的塔山矿特厚煤层综放开采上覆岩层破坏特征

王少卿

（大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院山西大同037003）

0 引言

我国厚煤层储量及产量在全国煤炭储量及产量中占比40%～46%，伴随着国民经济发展，煤炭开采技术的成熟，以及装备制造水平的提高，厚煤层综放开采的理论与技术得到了长足的发展[1]。近些年，煤炭资源逐渐枯竭，埋藏较浅、开采地质条件较好的资源已开发殆尽，大多数矿井均已陆续转向深部开采。我国山西、陕西、内蒙古、甘肃等普遍存在厚度超过8 m的特厚煤层，在特厚煤层开采中，会遇到回采巷道变形大、压架死架等强矿压显现现象，因此特厚煤层的开采技术及研究显得极其重要，对厚及特厚煤层（8 m～14 m）的大采高综放开采的理论是实践中亟需解决的关键技术问题[2]。本文针对塔山矿8216工作面上覆特厚煤层开采强扰动作用，利用相似模拟实验获得特厚煤层上覆岩层应力以及运移规律，为大同矿区特厚煤层的安全开采提供参考。

1 工程概况

塔山煤矿是大同煤矿集团所建的一座大型矿井，该矿主采煤层为石炭二叠系3#～5#煤层，煤层平均厚度15.72 m。其8216工作面位于二盘区中部。工作面长度230.5 m，平均走向长度1 902 m，可采走向长度1 661 m。采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法，SL500型采煤机落煤装煤、PF6/1142型前部刮板运输机和PF6/1342型后部刮板运输机运煤、ZF15000/27.5/42型低位放顶煤支架进行支护，采高为3.7 m，放煤高度9.44 m，采放比为1:2.55。采用一刀一放的放煤方式，放煤步距为0.8 m，煤层顶、底板围岩力学参数见下表1。

表1 8216工作面煤层顶、底板围岩力学参数表

2 相似模拟实验设计

物理相似模拟可以直接反映覆岩破断、应力分布、位移变化特征。因此采用物理相似模拟的研究方法，对坚硬顶板特厚煤层开采后远近场岩层破断特征及其矿压作用进行分析，可以得出坚硬岩层对覆岩结构跨断特征的影响规律。

2.1 相似模拟材料备制以及模型参数的设计

为了保证相似试验的可靠性，首先应进行材料的配比试验。本实验选取的相似材料为砂子、滑石粉、石膏粉、水等。模拟试验料采用砂子为制作相似模型的骨料，以滑石粉和石膏作为胶结料。将原型中各岩层的单轴抗压强度代入强度相似常数计算公式，可以得到模型材料单轴抗压强度，参考岩石力学实验模拟技术[3]，确定相似材料的配比号,并计算出每组配比号进行配比时的各组分材料用量。

2.2 相似模拟实验监测方案确定

为监测覆岩不同层位的关键层破断对煤层支承应力分布特征的影响，在煤层中沿工作面开采方向间隔30 cm布置电阻应变仪进行监测。在上覆岩层共布置3组应力盒，分别布置在距离煤层5.8 cm、43.3 cm、84.1 cm位置；应力盒间距43 cm，每组各布置5个应力盒，共布置15个，采用TS3890型静态应变测量处理仪对应力进行采集和记录，监测方案如图1所示。采用数字图像定点捕捉分析的方法对覆岩位移进行全程实时监测，如图2所示。用摄像机对煤层开采的运动变化情况进行实时捕捉，通过后处理软件得到位移变化规律，从而反演得到模型覆岩的位移变化特征。

图1 覆岩应力监测方案

图2 覆岩位移监测方案

3 采场应力及位移演化规律

3.1 覆岩运动特征

相似模拟实验模型的开挖速度根据原型中工作面推进速度按照相似比尺模拟进行，原型中工作面推进速度平均为2.4 m/d，由此可知模型中煤层开挖速度为10 cm/h（每30 min推进5 cm）。模型两边各留30 m的边界煤柱，按照垮落次序进行简述。如下图3～图9，其依次覆岩结构特征如表2所示：

图3 直接顶首次出现离层（开挖82.5m）

图4 老顶首次出现离层 （开挖172.5m）

图5 直接顶初次垮塌（开挖195m）

图6 老顶首次出现离层（开挖202m）

图7 悬臂梁破断（开挖240m）

图8 老顶二次垮塌（开挖270m）

图9 亚关键层第一次垮塌（开挖292.5m）

表2 特厚煤层开采过程中岩层移动特征

3.2 工作面随推进距离应力变化规律

自工作面推进方向对关键层中的应力盒编号1～5，得到不同垮塌次序时应力变化图，根据应力盒埋藏深度和高度，可以根据相似比计算出各个应力盒对应工作面的横向坐标，分别为：75 m、140 m、205 m、270 m、335 m。随着特厚煤层的开采，工作面前面应力变化规律如图10所示，可以看出工作面前方应力随着煤层开挖距离增大而逐渐增大。在直接顶破断前，工作面前方应力变化较为缓慢，直接顶破断后增长迅速，应力最大值为13.648 MPa。

图10 工作面前方应力变化图

3.3 关键层应力与位移变化规律

由于试验过程中观测的是垂直方向应力，由图11可以看到，在开挖初期和距离开挖面较远的位置，应力基本保持原岩应力，随着开挖的进行，可以看到关键层上垂直方向的应力逐渐释放，同时也预示着，关键层上的第一主应力逐渐由垂直方向转化为水平方向。图12由于在开挖过程中关键层发生下沉变化，最大下沉量达5.73 m，最大位移发生时，亚关键层部分垮落并伴随着破断关键层咬合，整个平面形成受均布载荷拱形桥结构，最大位移发生在了梁中部约175 m处。

图11 关键层应力变化图

图12 关键层下沉曲线图

4 结论

（1）覆岩运动特征：随着特厚煤层的开采，采空区范围增大，采空区顶板下沉增大，最大位移发生在采空区顶板中部。开挖距离较短时，关键层下沉量较小，工作面开挖195 m时，直接顶发生断裂，关键层出现微小裂隙，下沉约0.545 8 m但未发生断裂；工作面开挖270 m，老顶塌陷带动下位直接顶同步垮落，亚关键层暴露，关键层出现离层，下沉量约1.124 5 m；工作面开挖292.5 m，关键层破断，破断块体相互咬合，下沉量达到最大值为5.73 m。

（2）工作面前方应力变化：随着特厚煤层的开采，工作面前方应力一直呈现增长趋势，最大值约13.648 MPa，煤层开采前期直接顶尚未断裂前，工作面前方应力增长较缓，直接顶断裂后，亚关键层部分垮落前急剧增大，最后几乎不变。

（3）关键层应力与位移变化：可以看到关键层上垂直方向的应力逐渐释放，关键层上的第一主应力逐渐由垂直方向转化为水平方向。关键层出现裂隙时，直接顶垮塌，后续随着工作面推进形成悬臂梁结构；关键层裂隙持续发育形成离层，亚关键层部分垮落；关键层咬合发生最大下沉量5.73 m时，多个悬臂梁破断。