复合煤层采空区下分层综放开采相似模拟研究

姚 海，王 宁

(神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

随着我国经济高速发展，工业和民用所需煤炭量大幅增加，致使煤矿开采深度逐渐增大。其中极近距离复合煤层开采具有成本高、难度大、效率低等特点[1]，是煤矿开采面临的重要难题之一，制约着煤矿的安全高效发展[2，3]。因此极近距离复合煤层开采逐渐成为矿山开采的研究热点，目前针对极近距离复合煤层开采的传统方法有分层开采、大采高和放顶煤等开采方式[4-8]。其中分层开采主要受煤层厚度、开采工效和成本等多种因素制约，已逐渐被大采高开采和放顶煤开采方法所替代。大采高开采方法具有提高工效、减少巷道掘进量、提高煤炭采出率等优势，在我国煤矿已被广泛应用，但它仍受采煤机、支架等主要设备限制及片帮等安全因素影响，致使目前仍无法满足特厚煤层的安全高效开采。而放顶煤开采方法则对顶煤的韧性和强度具有一定的要求，在放顶时，必须保证顶煤可以自行破碎且尺寸适宜[9-12]。

大柳塔煤矿活鸡兔井1-2煤层均厚10m，埋深69～106m，煤体韧性较高，硬度系数f>3.3，煤层倾角1°～7°，则1-2煤层属于浅埋深特厚坚硬近水平煤层，在该复合区采用传统开采方法无法奏效，不能保证煤矿安全高效快速开采。因此，活鸡兔井1-2煤层复合区开采成为该矿井面临的主要难题，在对其他类似矿井综合分析的基础上，最终活鸡兔井决定在1-2煤层复合区实行上分层实行大采高综合开采、下分层实行综采放顶煤的开采方法。本文以大柳塔煤矿活鸡兔井1-2煤层复合区地质条件及开采情况为研究背景，依据相似理论，在实验室确定相似常数和相似材料，进行物理相似材料模拟实验研究，通过观测物理实验模型在上分层综采、下分层综放的开采方法下围岩和地表变形及应力变化情况，进而验证该开采方法的可行性，并为同类煤矿提供相应的开采经验基础。

1 工程概况

大柳塔煤矿活鸡兔井井田南北长8.9km，东西宽7.4km，井田面积65.8km2。活鸡兔井北面为干旱性河流活鸡兔沟，最大水流量为4.3m3/s，矿井实测瓦斯涌出量0.06m3/t。1-2煤层厚4.6～10m，倾角1°～7°，煤层结构简单，为半暗型煤。

自2001年3月至2006年5月，对1-2煤层上分区201至209工作面进行综采。上分层开采方式比较随意，工作面呈蜿蜒状，且未实施铺网等支护，对下分层的回采造成极大的影响。1-2煤下分层均厚6.0m，埋深69～116m，由于当时没有成熟的下分层开采经验，下分层并未进行回采。1-2煤层12下202工作面是第一个下分层开采的工作面，下分层首采面位置如图1所示，在掘进和回采时，将面临着顶板离层冒落、过采空区等多重难题。

图1 下分层首采面位置

因此，1-2煤下分层回采方式的确定成为活鸡兔井开采研究的重中之重。以国内多个相似煤矿研究现状为背景，活鸡兔井综合考虑各种回采方法对1-2煤层上下分层围岩应力、变形以及煤炭采出率的影响，最终决定在1-2煤复合层下分层采用综放开采方式，但仍需验证其放顶性，即是否会产生较大尺寸的煤块并阻碍顶煤放出，以及煤炭中含矸率对煤炭资源回采率的影响。基于此，本文以活鸡兔井1-2煤层复合盘区围岩力学参数为基础(见图2)，进行物理相似材料模拟实验，进一步验证1-2煤层下分层综放回采的可行性。

图2 原岩力学参数柱状图

2 相似模拟实验方案设计

相似模拟实验是依据相似原理，将实际矿山岩层按照一定相似比例进行缩放，得到具有代表性的合理模型尺寸，并利用与煤岩岩性相似的材料铺制成模型[13-15]。在开挖后，通过监测岩层的位移和破碎范围，可得到岩层的活动规律，将对实际煤矿开采具有重要的指导意义和作用。

2.1 模型相似常数确定

根据平衡、几何、物理及边界条件方程可得到模型相似系数关系见式(1)[16-19]：

式中，Aσ为应力相似常数，Aσ=σp/σm，其中，p和m分别表示巷道原型和实验模型；Aγ为容重相似常数，Aγ=γp/γm；Al为几何相似常数，Al=lp/lm；At为时间相似常数，At=tp/tm；Aμ为泊松比相似常数，Aμ=μp/μm；Aφ为内摩擦角相似常数，Aφ=φp/φm；AE为弹性模量相似常数，AE=Ep/Em；AC为内凝聚力相似常数，AC=Cp/Cm。

基于大柳塔煤矿活鸡兔井实际地质条件，为了保证实验模型具有一定的刚度和稳定性，本文采用二维平面模拟试验台3.2m×2.5m×0.25m(长×高×宽)来铺砌模型。并综合考虑实验模型尺寸和其他影响因素，确定相似常数为Al=100，Aγ=1.61，则其他相似常数见式(2)：

2.2 相似材料配比方案

实验模型以活鸡兔井煤岩力学参数为基础，综合考虑模型稳定性和巷道原始岩层的节理、层理和弱面等因素，设计铺设实验模型高113cm，1-2煤上下分层厚度分别为4.5cm和5.85cm，在下分层中开采3.5cm、放煤2.35cm。选取骨料为河砂和石英砂，胶结物为碳酸钙和石膏，并以云母为分层材料，按照一定比例进行配比铺设模型，配比情况见表1。

表1 模型相似材料配比情况表

3 实验结果及分析

3.1 监测方案

为了全面监测开挖后相似模型岩层运动规律，拟定了实验监测方案和内容：①使用SONY数字高清摄像机观察上覆岩层的走向；②以10cm为间隔将测点布设在模型关键的岩层表面，并利用PENTAXR-322NX全站仪观测位移数据；③根据拍摄实验现象照片和实际测量等方法，测定基本顶初步来压和周期来压步距；④测量裂隙带的发育范围及与地表导通情况；⑤将应变片(电阻120±0.1Ω、灵敏系数2.08±1%)以10cm间隔埋入煤层底板的砂质泥岩中，利用DH3816实时监测模型围岩的应力变化；⑥使用高精度百分表监测每次来压后地表下沉情况，每隔15cm布置一个百分表，共布置18个测点，监测方案布置如图3所示。

图3 监测方案布置

3.2 监测结果分析

3.2.1 1-2煤上分层综采

1-2煤上分层大采高开切眼尺寸为8cm，开采共推进42次，每次向前推进5cm，共推进长度210cm，在开采过程中共有13次周期来压，平均步距12.46m，初次来压步距转换成现场实际长度为45m。第一次工作面向前推进5cm时，围岩无明显变形；当工作面向前第四次推进至20cm时，第一层直接顶离层变形较大；当推进至27cm时，第一层直接顶开始冒落，第二、三层直接顶均分别出现不同程度的离层情况。在1-2煤层上分层回采后，老顶已经周期性回转垮落，并形成相对稳定的结构，但由于岩性未固结，冒落的岩体不能形成再生顶板。

3.2.2 1-2煤下分层综放开采

1-2煤下分层综放开采相似模拟实验情况如图4所示。工作面共推进38次，在总开采长度前130cm中，以速度5cm/次向前推进，总开采长度后130cm中，以速度8cm /次向前推进。开采过程中，共出现22次周期来压，转化为现场的平均步距6.68m，初次来压步距转换成现场实际长度为47m。开切眼设计尺寸为8cm，布置在煤柱中，致使上下分层初次来压步距相近。在第七次推进过程中，推进至32cm时，工作面后方煤体开始断裂，此时放煤厚度30cm，且冒落块体较大；第十次推进至47cm时，老顶初次来压，当至50cm时，直接顶垮落，老顶开始下沉，“砌体梁”结构出现变形失稳；第十九次推进至93cm时，老顶开始衍生大面积裂隙，至100cm时，老顶断裂，垮落高度28cm，离层冒落高度84cm。

图4 1-2煤下分层综放开采相似模拟实验

在1-2煤下分层开采中，由于二次开采对顶板稳定性产生一定影响，致使顶板和地表出现一定程度的破碎和下沉，矿压重新分布并逐渐趋于稳定。DH3816静动态电阻应变仪监测应力变化情况如图5所示，由图5可知，在开采至距模型左边界横向距离小于50cm时，支承压力在10kPa以下且基本保持不变；当模型横向距离在50～70cm时，支承压力急剧增大，达到峰值后开始下降；在70～100cm距离时，支承压力急剧降低；在100～250cm距离时，支承压力变形下降趋势缓慢。下分层支架上方的顶煤厚约2.0m，且上分层给予的支承压力以静压为主，则下分层矿压值属于正常范围。

图6 下分层开采地表下沉变化曲线

根据百分表记录数据绘制了下分层开采地表下沉变化曲线，如图6所示，由图6可知，随着周期来压次数增加，地表横向和纵向沉降波及范围相应缩小，在第14次周期来压后，地表最大下沉量几乎不变，约30cm，且第18至22次周期来压后，地表下沉横向波及范围仅为50cm，变形量明显缩小。同时上分层底板受到一定程度的破坏和支架的碾压，在下分层开采时，放顶煤效果极佳，且尺寸适宜，因此1-2煤下分层适合应用综放开采方式。

4 结 语

大柳塔煤矿活鸡兔井1-2煤复合区开采困难，活鸡兔井提出上下分层分别实施综采和综放开采。为了验证该开采方案的可行性，在实验室进行了相似模拟实验，以河砂和石英砂为骨料、碳酸钙和石膏为胶结物、云母为分层材料，并根据相似理论，确定几何相似比100，容重相似比1.61，时间相似比10，应力、弹性模量和内聚力相似比161，以及泊松比和内摩擦角相似比1。通过开采后模型的变形和围岩应力变化的监测数据可知，在下分层实行综放开采时，地表最大下沉量为30cm，且综放工作面压力逐渐平缓，在上层底板受到一定破坏后，致使下分层放顶煤效果极佳，且块体尺寸适宜，并验证了该开采方法的可行性。