基于相似模擬試驗的綜放工作面礦壓顯現規律

鄭金平 馮彥軍

(1.山西三元煤業股份有限公司;2.天地科技股份有限公司;3.煤炭科學研究總院開采設計研究分院)

伴隨著綜放開采技術的推廣應用，我國煤炭資源開采的技術水平和經濟效益從根本上得到了改善［1］。同時，我國學者對綜放工作面礦壓顯現規律進行了大量的研究，取得了十分豐富的成果。綜放采場圍巖支撐體系為老頂—直接頂—頂煤—支架—底板，頂煤充當部分直接頂，在頂板巖層和支架之間是一層強度較低的頂煤作為上位巖層活動的“墊層”。王家臣［2］認為綜放采場礦壓顯現程度不僅取決于上覆巖層的活動，也與頂煤的強度、剛度、厚度及破碎狀況有關。毛德兵等［3］根據綜放開采技術，提出了大采高綜放開采的概念。翁明月等［4］根據微震事件變化間接反映工作面礦壓顯現，認為微震事件峰值出現的時間一般略早于工作面周期來壓。劉志成［5］在分析大傾角煤層綜放工作面礦壓顯現的基礎上，通過相似模擬試驗，確定了靖遠王家山礦大傾角煤層綜放液壓支架工作阻力。陸明心等［6］對綜放工作面礦壓顯現內在機理及上覆巖體的平衡結構進行了研究，上覆巖層存在著以大變形梁形式的平衡結構，平衡結構與頂板、頂煤相互作用。

本研究在相似模擬試驗的基礎上研究綜放工作面礦壓顯現規律。

1 相似材料模擬試驗

1.1 試驗背景

綜放工作面煤層平均厚度為8 m，割煤厚度為3 m，放頂煤厚度為5 m，煤層埋深為100 m，煤層及上覆巖層巖性、強度及厚度如表1。煤層圍巖綜合柱狀圖如圖1。

1.2 模型建立

根據相似模擬試驗研究目的，采用平面應變模型進行模擬。平面應變模型試驗臺規格為3 000 mm ×3 000 mm×200 mm(長×高×寬)。模型上覆巖層重力采用皮囊充氣加載的柔性加載方式。

表1 煤巖力學參數

圖1 煤層圍巖柱狀圖

在模擬回采過程中，監測頂煤的位移分布及其變化，位移測點布置見圖2;測試頂板支承應力分布及變化，應力測點布置見圖3。

圖2 位移測點布置

2 試驗結果

2.1 頂煤豎向位移隨工作面推進的變化

圖4表示8號、27號、28號、42號測點頂煤下沉量隨工作面推進距離的變化。工作面推進距離小于18 m時，頂煤下沉量呈緩慢增加的趨勢，下沉量變化范圍1.5～9.5 cm;工作面推進至18～21 m，頂煤下沉量急劇加大，下沉量范圍為25～150 cm;工作面推進至21～41.4 m，頂煤下沉量呈緩慢增加趨勢，下沉量變化范圍20～40 cm;工作面推進超過41.4 m后，頂煤下沉量急劇加大，此時最大下沉量可達300 cm。

圖3 應力測點布置

2.2 支承壓力隨工作面推進的變化

圖5表示1號，3號，7號，8號測點支承壓力隨工作面推進的變化。工作面推進至15.6～21.6 m時，支承壓力達到峰值點，即工作面前方縱向支承壓力峰值出現在15.6～21.6 m附近，平均約16 m，最大支承壓力為15～55 MPa，平均為35 MPa。

3 結果分析

隨著工作面的推進，頂煤下沉量經歷緩慢增加、趨于加劇、緩和、急劇加大等變化過程;隨著工作面推進距離的加大，支承壓力的變化呈波浪形，在達到峰值后開始衰減，基本頂周期來壓顯現趨于緩和。支架上方的頂煤在超前支承壓力的作用下，進入了塑性狀態或已變得破碎，巖層支承壓力向煤壁前方遷移，這樣可緩沖基本頂來壓時的動載作用。因此，綜放開采的1次采高雖大，但是工作面礦壓顯現并不強烈。

4 結論

(1)綜放工作面頂煤下沉量經歷緩慢增加、趨于加劇、緩和、急劇加大等變化過程。

(2)隨著工作面推進距離的加大，支承壓力的變化呈波浪形，在達到峰值后開始衰減，基本頂周期來壓顯現趨于緩和。

圖4 頂煤下沉量隨工作面推進的變化

(3)由于支架上方“墊層”的作用，巖層支承壓力向煤壁前方遷移，可緩沖基本頂來壓時的動載作用，工作面礦壓顯現較為緩和。

［1］ 吳 健.我國綜放開采技術15年回顧［J］.中國煤炭，1999 (S1):9-16.

［2］ 王家臣.我國綜放開采技術及其深層次發展問題的探討［J］.煤炭科學技術，2005(1):14-17.

圖5 支承壓力隨工作面推進的變化

［3］ 毛德兵，康立軍.大采高綜放開采及其應用可行性分析［J］.煤礦開采，2003(1):11-14.

［4］ 翁明月，徐金海，李 沖.綜放工作面煤巖破壞及礦壓顯現與瓦斯涌出關系的實測研究［J］.煤炭學報，2011(10):1709-1714.

［5］ 劉志成.大傾角煤層綜放開采相似模擬實驗研究［J］.煤礦開采，2007(2):65-66.

［6］ 陸明心，郝海金，吳 健.綜放開采上位巖層的平衡結構及其對采場礦壓顯現的影響［J］.煤炭學報，2002(6):591-595.