坚硬顶板围岩垮落变形规律相似模拟试验研究

罗明坤

(1.山西潞安环保能源开发股份有限公司 漳村煤矿，山西 长治 046031；2.山西潞安化工集团有限责任公司 科研中心，山西 长治 046204)

煤层上方的坚硬顶板因其具有较高的强度和完整性，在工作面开采完成后不易发生变形和破断，往往在采空区侧向形成悬臂结构[1-6]。由于悬臂梁的存在，在煤柱附近易形成高应力环境，不利于巷道围岩的稳定[7-13]。相似材料模拟实验是以相似理论为基础并按照一定的几何比例模拟岩体及矿体内变形应力特征的实验技术，具有直观性强、灵活性好、效率高、重复性好等优点，是科学研究中揭示事物内在规律的一种重要手段。本文以漳村煤矿2505工作面为背景，运用相似模拟试验，研究坚硬顶板条件下，煤层开采对采区大巷应力变形的影响规律，为制定合理巷道支护措施提供参考。

1 相似模拟试验设计

漳村煤矿2505工作面为坚硬顶板，工作面开采过程中采空区顶板悬顶过长，支架压力大。根据相同采区工作面开采经验，工作面结采时，由于悬顶未及时垮落，给采区大巷造成很大影响，大巷应力高，维护困难，给安全生产带来了较大隐患。运用相似模拟试验的方法，模拟工作面开采过程中煤层和结采时采区大巷的应力分布和变形形式，为大巷支护及采区相应卸压措施提供依据。采用的相似参数及各岩层岩性等参数见表1所示。本次相似模拟实验采用平面模型实验平台，相似试验平台尺寸：长、宽、高分别为1 200 mm、1 50 mm和1 300 mm，模型左右边界水平位移约束，下边界位移约束，上边界受气缸施压模拟地应力场，如图1所示。

图1 相似模拟试验装置

表1 岩层位置及岩石强度匹配

模型铺设过程中在工作面上方和巷道围岩周围布置压力盒，监测顶板及巷道周围应力变化。开挖过程中使用YE-2539高速静态应变仪记录埋设压力盒数据，采用数字摄影测量技术观测位移变化。数字图像分析部分则使用中国矿业大学自主设计开发的《数字照相量测实用软件系统PhotoInfor》软件。

试验选取的骨料为普通细河沙，实验前用筛网筛除大颗粒沙子，保证细河沙的粒径不大于2 mm。选用的胶结材料为石膏、碳酸钙；云母粉用于层与层之间的分层，可以更好显出顶板的跨落形态。取模型几何相似比Cl=0.01，容重相似系数Cγ=0.68。

相似材料利用正交试验试验各层位材料配比，各强度岩石材料配比按照质量表称量好，搅拌均匀，制成相似材料，铺设时用重物砸实，具体每层的材料强度如表1所示。

相似模拟实验的应力测点布置如图2所示。应力测点布置在各层位中部，煤层布置6个应力测点，间距25 cm；工作面底板布置4个监测点，测点间距40 cm；直接顶和老顶，各布置5个测点，间距25～30 cm。巷道距离模型左边界15 cm，顶板破断线距离右边界35 cm。巷道原尺寸约为4 cm×4 cm，采区保护煤柱宽度为25 cm。

图2 测点布置(cm)

模型开挖步骤：按照现场实际的施工顺序，首先开挖采区下山巷道，然后开挖工作面，工作面从最右侧逐渐向巷道靠近，每次开挖5 cm，开挖过程中定点用相机拍摄工作面跨落形态，监测巷道位移及压力数据。

2 相似模拟试验结果

2.1 坚硬顶板垮落规律

相似模拟得到工作面顶板垮落形态如图3所示。

图3 岩层初次来压垮落特征及岩层位移

从图3中可以看出：工作面采空区初次来压时，初次来压顶板最大悬顶长度达到37.6 m。老顶断裂形成砌体梁结构，一侧由工作面上方顶板支撑，一侧由采空区垮落矸石支撑。直接顶上覆0～8 m范围内直接顶岩层纵向、横向裂隙发育并相互贯通，岩层间发生离层和裂隙向上位岩层发展。保安煤柱外侧顶板悬顶过长，侧向压力通过煤柱向巷道方向转移。

提取煤层测点压力盒数据，如图4所示。图4为煤层应力变化随工作面开采的变化趋势。

图4 煤层应力变化规律

从图4中可以看出：工作面前方煤层处在高应力环境中，随着工作面回采，工作面前方出现应力集中，原岩应力为0.33 MPa，各个应力测点应力随着工作面回采，应力峰值先上升然后下降，工作面前方应力峰值距离工作面约为25 m，最大应力峰值达到0.65 MPa，垂直应力集中系数达到1.97，远离工作面应力值逐渐接近原岩应力。工作面前方受应力集中的影响范围约为峰值点与工作面距离的2～3倍。

说明坚硬顶板的悬顶使工作面前方大部分区域受到应力集中的影响，若为避免受采动集中应力的影响，采区大巷距离工作面结采点约为50～75 m，即大巷护巷煤柱需最小为50 m。

在煤层上方布置顶板位移测线，结果如图5所示。从图5中可以看出：开挖1对应顶板初次来压时顶板的下沉曲线，开挖7对应开挖至停采线时，从工作面上方下沉曲线，可以看出随着工作面开挖，顶板不断下沉，每次开挖对应的步距约为23 m，说明工作面对应的周期来压步距约为23 m，初次来压步距约为37 m，顶板最大下沉量为8 cm，略小于煤层厚度。

图5 工作面顶板下沉

2.2 巷道围岩变形规律

从图6可以看出，在工作面开采超前压力的影响下，巷道呈现两帮鼓起、顶板下沉的变形形式，底板变形较小，较为平整。尤其是左帮靠近工作面开采方向变形明显大于巷道右帮，巷道低角位置凸起大于顶角，巷道顶板下沉达到8 mm，两帮移进变形略大，达到1.5 cm，变形比例分别占巷道原尺寸的20%和37.5%.

图6 巷道变形形式

从图7可以看出：工作面顶板在坚硬顶板条件下，巷道顶板变形量较大。从开挖第1歩至第4歩的过程中，煤柱宽度较大顶板侧向压力还未转移到下山巷道群附近，巷道围岩应力集中程度低，巷道顶板下沉速度较慢。开挖第4歩至第7歩的过程中，巷道顶板下沉速度明显加快。开挖至第7歩时，保安煤柱宽度为70 m，此时采空区坚硬顶板悬顶长度已达17 m，顶板自动垮落时悬顶长度已达23 m。

图7 巷道下沉量

工作面向前开采不断接近采区巷道，采区巷道与结采线之间煤柱宽度为25 cm，由于顶板未及时垮落，顶板侧向压力不断转移直至接近巷道围岩附近，造成巷道应力集中程度高，顶板下沉量达到8 mm(对应现场高度为1.12 m)。说明坚硬顶板的悬顶对采区大巷的位移造成了明显的影响，巷道变形过大。采空区的坚硬顶板难以跨落，增加了顶板悬顶长度，顶板回转的力不断传向保护煤柱，增加了煤柱的水平应力，同时悬顶载荷全部由保护煤柱承担，增加了煤柱的垂直应力，因此造成巷道应力及变形成倍增加，巷道维护难度加大。

3 结 语

本文采用相似模型试验分析了坚硬顶板岩层的垮落特征，巷道顶板及煤柱应力演化规律，揭示了坚硬顶板巷道失稳机制，得到了以下结论：

1) 随着工作面的回采，采空区顶板出现大面积悬顶现象，初次来压悬顶长度达到37.6 m，周期来压最大达到23 m；工作面前方垂直应力集中系数达到1.97，巷道顶板下沉量达到1.12 m。

2) 坚硬顶板悬顶对巷道造成非常大的影响，应力集中程度较高，悬顶增加巷道覆岩载荷，巷道难以维护；必要时必须对巷道顶板进行强制放顶，切断采空区悬顶，释放顶板压力，以达到维护巷道的目的。煤层上方的坚硬顶板因其具有较高的强度和完整性，在工作面开采完成后不易发生变形和破断，往往在采空区侧向形成悬臂结构[1-6]。由于悬臂梁的存在，在煤柱附近易形成高应力环境，不利于巷道围岩的稳定[7-13]。相似材料模拟实验是以相似理论为基础并按照一定的几何比例模拟岩体及矿体内变形应力特征的实验技术，具有直观性强、灵活性好、效率高、重复性好等优点，是科学研究中揭示事物内在规律的一种重要手段。本文以漳村煤矿2505工作面为背景，运用相似模拟试验，研究坚硬顶板条件下，煤层开采对采区大巷应力变形的影响规律，为制定合理巷道支护措施提供参考。