大采高综采面覆岩结构顶板垮落规律研究

蒋与飞 曹品伟

（河南神火煤电股份有限公司泉店煤矿，河南 许昌 461000）

受三软煤层的影响，泉店煤矿厚煤层开采过程中的顶板问题一直是制约回采效率的重要因素。二1 煤层赋存于山西组下部，本工作面煤层走向119°，倾角平均约为26°，上距砂锅窑砂岩（Ss）56.77～60.03 m，平均距离58.40 m，上距二3 煤层3～7.9 m，下距太原组上段灰岩约20～25.8 m。工作面采高约7～8 m，一次性采全高。

本文通过使用相似材料模拟试验，对泉店煤矿二1 煤层进行模拟研究，确定二1 煤层回采巷道的支护形式，找出倾斜工作面回采后的顶板变化情况以及结构破坏规律，为控制减小顶板采动影响和上下顺槽压力控制提供重要的理论依据[1]。

1 相似模拟试验基本原理

相似材料模拟试验是科学实验的一种形式，是用来模拟和研究低压变化规律的重要手段之一。按照矿山实际模型，通过一定的比例将实际数据进行缩小，做成模型，然后在模型中进行模拟井下巷道掘进或采面回采作业等，以此观察模型发生的一些物理形变等情况，进而推测原型中将会发生的情况，通过近似推理，来解决实验原型面临的实际问题，提出行之有效的解决方案。

2 相似模拟试验流程

2.1 相似比和材料配比

根据相似规律，在本次模拟过程中，通过对泉店煤矿大采高工作面进行实际采集数据，了解煤层结构及内部断层情况，确定了本次试验的相似比值，具体数据如下：

几何近似比值=1:40；

容重近似比值=1:1.5；

时间近似比值=1:10；

应力及强度近似比值=1:60。

根据工作面实际情况及模拟条件，本次试验建立模型上覆60 m 岩层，材料以沙料为支柱主体，高度设置为1.6 m，煤层厚度近似设置4 m，倾斜走向设置工作面底板，材料使用沙为骨干材料，碳酸钙为联结材料，在不同的模拟层中铺设云母模拟岩层，以达到最真实的试验效果[2]。

试验过程每隔固定时间进行拍照记录一次，并将测量数据填写至记录表中，以得到采动过程中顶板动态变化近似数据。材料的相似配比见表1。

表1 材料相似配比表

2.2 模拟试验相似观察方案

为了能够得出大采高煤层的顶板破坏规律，真实研究倾斜方向上顶板断裂情况，分析顶板破断失稳以及控制技术措施，具体观测方案如下。

设置位移观测计量点位，本次计量点共设置三排。第一排布置在细砂岩顶部，与煤层间距离为83 mm；第二排布置在细砂岩之中，与第一排间距150 mm；第三排与第二排间距250 mm，且与第一排间距250 mm。同时观测三排计量点位的位移变化。具体布置情况如图1。

图1 测点布置示意图

3 顶板破断规律

首先设置工作面倾斜长度为20 m 距离，从图2可以看出，受顶板悬空面积影响，此时的顶板已经开始出现垮落破断的现象，但是破碎程度较小，且块与块之间出现交联结构，煤壁破断后出现砌体结构，顶板整体出现垮落情况。因此，工作面在倾向方面已承受压力影响，倾向来压往往与走向压一起同时对顶板产生较大影响。

事实上不论形式的工与写，谨严或率真，中国画所陈述的情境的创作和欣赏都是指向主观的感悟和体验的。对客观对象的描摹并以此来验证技法的高低乃至艺术价值的高低偏离了我们长期以来坚持和实践的中国画创作方式和审美观，因此，对于工笔画来说，应该从绘画的图式上回归以形写神的形态语言，从审美体验中回归精神境界和格雅逸品，从绘画的过程中回归平静与从容的心理情态，从而回归内心，回归灵性与生命的呈现。

图2 工作面斜长20 m 状态

此时，石块1 与石块2 之间已经呈现连接情况，且岩块2 与煤壁间也构成了连接情况。由此可见，坚硬岩层时间的连接结构，可以共同产生承载作用，但是直接顶层厚较薄，破断之后无法完整填充采空区，因此，在垮落石块和未垮落岩层之间，又形成了新的空档，在下一步的开采过程中，继续破碎形成二次垮落，垮落高度进一步增加[3]。

图3 工作面斜长40 m 状态

随着工作面回采长度的不断拉长，顶板垮落情况逐渐加大，破碎情况更严重，垮落的岩层整体呈现下移。因此在工作面开采过程中需要防止顶板的破断下沉对支架的影响，支架往往和顶板之间形成稳定的挤压关系，随着顶板的破断下滑会导致支架随着顶板一同下滑，因此支架的防倒防滑此时较为重要，从而保证支架的稳定[4]。

随着岩块的整体下沉，在图3 可以看出，上覆岩块在滑移过程中卡在了上覆岩块下侧，暂时对石块起到了承托作用，提高稳定性，并且该处没有明显的垮落情况，短期内处于稳态，由于倾斜角度的存在，提高了部分区域的稳态保持程度，有利于顶板的控制。

图4 工作面斜长56 m 状态

受上层岩层和垮落间隙的影响，顶板一次破碎后不久出现二次破碎现象，并且伴随着强烈的顶板下沉。此时，受自重作用压力，关键层位下沉，直接造成上覆岩层破裂下降，从图4 能够明显看出破碎情况，且二次形成离层间隙带，但由于支撑作用，上覆岩层离断间隙并不严重，矿压显现效果明显。

4 顶板破落动态变化情况分析

通过对本次试验的测点进行动态观测，贯彻工作面回采过程中顶板出现的相似变化，测点设置在距离煤层4 m、8 m、14 m、17 m、24 m、30 m 位置处，通过测点的观测数据，得到图5。

图5 工作面顶板水平位移量

图6 工作面顶板垂直位移量

通过对工作面顶板垂直位移监测可以看出，顶板变化的水平方向位移量和垂直方向位移量有相似之处，主要变化情况均为上部移动变量数值较大，并且，随着回风巷道的逐渐加长，这些位移量也在急剧增加。在距离采煤面15 m 时达到峰值，距离煤层4 m 处达到4.3 m，距离煤层8 m 处达到3.8 m，位移量相对较大，并且伴随煤层变化，位移量显著降低，在采煤面的中部达到峰值，但均低于2 m数值。

5 结论

从上述试验结果可以看出，大采高工作面由于采高大，垮落距离长，在顶板进行一次破碎之后，由于空隙原因，在工作面继续推进的过程中，会造成顶板二次垮落，但是在普通采高下不会出现类似现象。泉店煤矿二1 煤层回采过程中，由于顶板中岩层较厚，细砂岩破碎后能够形成较为稳定的联结结构，形成砌体梁，但由于下沉量增加，砌体梁的结构稳定性并不稳定，导致破断情况继续向上层蔓延，工作面矿压显现更为剧烈。因此，二1 煤层回采时工作面推进需加快进度，在二次破断之前将综放工作面推至较远位置，确保综放工作面安全生产。