3109综采面覆岩垮落、裂隙带模拟与结果分析

2021-08-14姚利军

江西煤炭科技 2021年3期

姚利军

（山西新元煤炭有限责任公司，山西阳泉 045000）

井工开采中，工作面回采后，覆岩在上覆岩层及自身重力作用下发生破断，并发生以大位移为特征的垮落运动，这是工作面矿压显现的主要原因[1-4]。因此，掌握覆岩运移规律及覆岩垮落、裂隙带范围对于综采面支护设计具有重要意义。本文以新元煤矿3109 综采工作面为研究背景，采用相似模拟方法对覆岩垮落、裂隙带高度演化过程进行了试验。

1 工作面概况

新元煤矿3109 工作面位于一水平一采区，开采3#煤层，煤层厚度为2～3.1 m，平均2.75 m，倾角为2°～9°，平均3°。煤层赋存稳定，结构较简单，属中灰、低硫的优质贫、瘦煤。煤层以亮煤为主，内生裂隙发育。煤层中一般含1～2 层泥质夹矸，厚度一般为0.02～0.05 m，平均0.03 m。工作面倾斜方向长258.2 m，走向长1 364.3 m，面积352 262.3 m2。工作面标高+656～+620 m，对应地表标高+1 049.2～+1 132.7 m，埋藏深度393.2～512.7 m。3#煤层伪顶为高岭石泥岩，平均厚度0.32 m，直接顶为灰黑色砂质泥岩，平均厚度3.1 m，老顶为中粒砂岩，平均厚度2.40 m；煤层直接底为深灰黑色泥岩，平均厚度2.98 m，老底为浅灰色细粒砂岩，平均厚度3.5 m，见表1。

表1 3109 工作面煤层顶底情况

2 工作面覆岩垮落带及裂隙带相似模拟试验

由于现场观测施工程序复杂，成本高，且无法直观得到覆岩垮落、裂隙带范围，因此，采用相似模拟方法进行试验。本试验采用二维平面相似模拟试验台，试验台尺寸为2 000 mm×1 500 mm×200 mm。根据工作面顶底板岩层厚度、强度铺设模型，模型尺寸为2 000 mm×1 500 mm×200 mm，试验采用1:100 的几何相似比。由于试验台尺寸限制，通过液压系统在模型上表面施加7.5 MPa垂直应力（350 m×25 000 N/m3）模拟上覆岩层重量。为监测岩层运移情况，在采场模型顶板上方0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m 位置处布置4 条测线，测线上每两测点间间距为0.1 m。

模型开挖步距为0.05 m，采用自左向右逐步开挖方式，图1为工作面开采期间覆岩运移情况。当工作面推进至0.15 m 位置时，直接顶开始发生初次破断垮落，见图1（a）。直接顶岩层初次破断垮落后，由于强度相对较低且受到支架反复支撑作用，随着工作面推进基本上随采随垮。工作面推进至0.30 m 位置时，老顶岩层中部首先产生拉伸裂隙而后发生破断，见图1（b）。工作面推进至0.50 m位置处，老顶岩层发生悬臂梁式的第二次破断，见图1（c）。此后，随着工作面不断推进，老顶岩层呈周期性的破断垮落，覆岩破断及运移逐渐向上方发展,见图1（d）及图1（e）。工作面开挖至右边界后，工作面上方岩层均受到采动影响而发生运移，模型上边界出现下沉盆地，随着工作面停止开挖，覆岩活动逐渐趋于稳定，见图1（f）。

图1 3109 工作面覆岩运移情况

3 试验结果分析

分析试验结果可知，3109 工作面老顶初次垮落步距、周期垮落步距分别约30 m、20 m。老顶垮落步距与现场通过支架工作阻力计算得到的结果基本相符，表明相似模拟试验在一定程度上可以反映工作面上覆岩层运移情况。由图1可知，上覆岩层破断前首先发生离层，随后随着工作面不断推进离层逐渐发育，而后破断垮落至采空区底板，上覆岩层形成垮落、裂隙带。

依据煤层上方测点位移变化情况，可知垮落带及裂隙带高度演化过程。由图2可知，工作面推进过程中，受覆岩步距式垮落影响，垮落带及裂隙带的发育高度逐渐增加，并在工作面推进一定距离后趋于稳定。直接顶是垮落带的主要岩层，其破断垮落是垮落带高度不断变化的主要原因，随着直接顶垮落岩层充满采空区并支承顶板，垮落带范围将逐渐稳定。由于直接顶破碎岩块孔隙率较高，采空区内由于直接顶垮落堆积形成的矸石在未垮落上覆岩层作用下逐渐被压实，使得工作面推进到70 m位置处垮落带高度又出现一次增加，此后再次趋于稳定，最终垮落带发育高度约12.2 m。而裂隙带高度则在老顶发生初次破断后迅速增加，此后，随工作面的推进逐渐向上发育,并在老顶岩层第一次周期性破断后趋于稳定，裂隙带高度约33.0 m。