大采高工作面覆岩移动规律相似模拟研究

2021-02-06邱玉铭

煤 2021年1期

邱玉铭

(山西潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西晋中 032600)

随着采煤技术及设备的发展，针对厚煤层开采的矿压显现特征及其围岩控制技术的研究受到广泛重视，但是由于受到地质条件、开采技术水平等的影响，不同矿区的厚煤层大采高采场围岩应力及覆岩移动表现出了不同的特征[1-4]。本文以左权阜生煤业有限公司1102大采高工作面为背景，通过相似模拟试验研究其回采过程中覆岩移动规律、顶板结构及超前支承压力分布特征，为矿井顶板管理提供科学的依据，为矿区安全生产保驾护航。

1 工程概况

山西潞安集团左权阜生煤业有限公司位于山西省晋中市左权县寒王乡，矿井设计生产能力为120万t/a，井田面积5.819 6 km2，矿井绝对瓦斯涌出量5.48 m3/min，属于煤与瓦斯突出矿井。井田可采煤层为15号煤层，平均厚度6 m。1102综采工作面布置在15号煤层中，工作面倾向长度137.3 m，走向长度为510 m，平均倾角9°，工作面采用大采高一次采全高回采工艺。1102工作面直接顶为泥岩，平均厚度8.0 m，基本顶为灰白色石灰岩，平均厚度7.0 m，直接底为砂质泥岩，平均厚度为1.4 m。

2 相似模型的建立

2.1 模型建立

为了直观地了解工作面回采期间覆岩移动规律，决定采用相似模拟实验进行研究，结合1102工作面实际情况，建立顶板结构模型，模型几何相似比为1∶100。容重相似比为1.5;应力、弹模、粘结力相似比为150;时间相似比常数为10;重力加速度相似比为1;位移相似比为1 000。相似模型见图1。为详细观测采场上覆岩层移动及破坏情况，在模型剖面及层面位置布设位移传感器。模型设置从切眼处向前推进，每次推进4 cm，相当于实际推进4 m。

图1 相似模型

2.2 监测方案

模型提前开挖两条大巷，模型最左边0.5 m作为工作面开切眼，然后由左向右进行开挖，每次回采0.1 m，开挖高度为0.06 m，直到开挖至距离巷道0.3 m结束。每开挖一定距离后，利用Nikon DTM-531E型全站仪对工作面覆岩位移观测点进行测量，及时记录覆岩移动情况。每开挖一定距离，利用图像素描法和数码相机照相法记录各来压期间覆岩结构。

3 覆岩移动规律及支承压力分布特征

3.1 初次来压期间覆岩移动特征

图2为1102工作面初次来压期间覆岩移动情况。随着工作面不断推进，顶板悬顶面积增大，逐渐发生弯曲变形，直至冒落。当工作面推进到24 m时，直接顶开始冒落；当工作面推进到32 m时，直接顶冒落厚度为5 m；随着工作面推进，直接顶冒落高度不断向上增加，当工作面推进到48 m时，直接顶冒落高度为7.5 m；当工作面推进到56 m时，直接顶继续冒落，高度为10 m，基本顶出现裂隙，并不断扩张，随着工作面推进，基本顶参数离层，当工作面推进到68 m时，基本顶出现大面积冒落，冒落高度一度达到24 m，工作面表现为初次来压，之后顶板形成稳定的拱形结构。

图2 初次来压期间覆岩移动情况

3.2 周期来压期间覆岩移动特征

随着工作面持续推进，发生周期性来压现象，覆岩移动情况如图3所示。当工作面推进到86 m时，工作面产生第一次周期来压，见图3(a)，顶板垮落高度为39 m，基本顶产生4 m的离层，破断角为64°，覆岩结构明显，顶板形成明显的“斜台阶”结构。当工作面推进到108 m时，工作面产生第二次周期来压，见图3(b)，顶板垮落高度为62 m，破断角为66°，顶板“斜台阶”结构明显。当工作面推进到122 m时，工作面产生第三次周期来压，见图3(c)，顶板垮落高度为62 m，破断角为54°，顶板仍然为“斜台阶”结构。当工作面推进到144 m时，工作面产生第四次周期来压，见图3(d)，顶板垮落高度为64 m，地表发生弯曲下沉，覆岩充分采动，形成明显的三带结构。