堅硬頂板切眼預裂條件下綜采工作面相似模擬研究

孔文

【摘要】為研究堅硬頂板綜采工作面在切眼頂板預裂條件下的覆巖移動規律，以山西凌志達煤礦15101工作面為研究對象，采用相似模擬的研究方法，對15101工作面直接頂破斷、基本頂初次破斷、基本頂周期性破斷規律進行模擬研究，再現了覆巖裂隙場的發育過程，得出了工作面頂板垮落特征及頂板垮落帶和裂縫帶“兩帶”高度等，為工作面礦壓及頂板管理提供了相應的參考。

【關鍵詞】堅硬頂板；頂板預裂；覆巖移動；相似模擬

Analog Simulation Study on the condition of hard roof open-off cuts pre-splitting in fully mechanized working face

KONG Wen

(Fangzhuang No.1 Coal Mine, Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd, Jiaozuo Henan, 454003, China)

【Abstract】In order to study the overburden strata movement on the condition of open-off cuts pre-splitting in large mining height fully mechanized working face with hard roof, taking 15101 working face of Lingzhida coal mine in Shanxi province as the object, research the rule of work face immediate roof broken, main roof first broken, main roof periodic broken，reproduction process of overburden strata fracture field by the method of similar simulation, study of collapsing characteristic of hard roof ，the roof caving zone and fractured zone height is measured, and it can provid reference for the working face of underground pressure control and roof management.

【Key words】Hard roof；Roof pre-splitting；Overburden strata movement；Similar simulation

0前言

凌志達煤礦15101工作面基本頂K2灰巖厚度為5.75~8.93m，且抗壓強度達到133.8MPa，屬于典型的堅硬巖層，為防止頂板懸露面積過大，必須采取切眼預裂措施[1-2]。切眼淺孔預裂后，在垂直應力的作用下，覆巖結構演化呈現出不同的特點，采用相似模擬試驗方法研究深部煤層開采上覆巖層裂隙場的演化過程，具有直觀性、可操作性等特點，它直觀顯現了工作面推進過程中，圍巖裂隙場發育的狀態[3-4]。

1地質概況

15101工作面所采的15號煤層位于太原組下部，上距K2石灰巖0-3.00m。煤層穩定全區可采。頂板為炭質泥巖或泥巖，底板為泥巖或炭質泥巖，柱狀圖如下圖1。

基本頂：K2灰巖，厚度為5.75~8.93m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑，方解石，致密堅硬；

直接頂：泥巖，厚度為0.6~2.0m：黑色、質地較密；

偽頂：炭質泥巖，厚度為0.05~0.2m，黑色，質地松軟，隨采隨落；

底板：泥巖及黃鐵礦泥巖，平均厚度12.88m，黑色,含黃鐵礦，有黃金色碎屑。

2模型配比及制作

凌志達礦井15101綜采工作面采用走向長壁一次采全高采煤法，設計采高為3.8m，工作面走向長為2240m，傾向長為175m，埋深為290m。本次實驗模型模擬工作面沿走向方向推進，選取模擬支架的規格為2.5m×1.4m×2.0m(長×高×寬)。

2.1模型配比

依據物理相似模擬原理，并結合現場情況，選取的模擬材料為砂、石膏再與水有一定的配比攪拌來模擬巖層；用云母粉來模擬層面和節理裂隙[5-6]。相似模擬材料配比如表1所示。

表1模型相似材料配比

2.2模型開采設計

為了減少邊界條件的影響，左右邊界上分別留設了30m的煤柱，在模型上沿橫向布置4條測線，每條測線上共11個測點，間距0.15m，每個測點上都貼上反光紙如圖2所示。

圖2模型設計圖

測點布置如表2，整個開挖過程用全站儀來觀察工作面覆巖運移情況，同時用數碼相機跟蹤拍照，記錄工作面覆巖變形、破斷及垮落情況。

表2位移測點布置

3頂板垮落特征分析

模型從切眼開始，進行切眼的放頂，然后開挖，共經歷了基本頂K2石灰巖的初次垮落，四個周期性垮落，具體的試驗過程和現象如下：

（1）留煤層保護煤柱30cm（現場為30m），切眼大致8m（現場為8m），進行頂板的預裂放頂模擬，由設計的放頂方案可知放頂的高度為H=13.15cm（現場為13.5m），可貫穿頂板堅硬的K2灰巖，寬度約為2cm（現場為2m），具體如下圖3。

圖3切眼放頂模型

（2）模擬開挖，煤層上方約0.9cm（現場為0.9m）的偽頂泥巖隨采隨落，上面的基本頂K2灰巖變化不大，當模擬開挖36cm(現場推進36m)時，煤層頂板6.78m厚的K2灰巖層（亞關鍵層）整體呈梯形狀發生初次垮落。由于切眼處經過放頂預裂，煤層的頂板成了懸臂梁結構，頂板初次垮落后，向采空區方向傾斜垮落，正好如下圖所示。同時上方模擬2.1m厚的泥巖和2.1m厚的砂質泥巖伴隨著堅硬K2灰巖層隨之垮落，整體垮落的高度為11.88cm（現場為11.88m），煤壁側冒落角為67°，預留煤柱側冒落角為70°，模擬試驗垮落圖如圖4。

圖4老頂頂初次垮落

（3）當模擬開挖到58.5cm（相當現場為58.5m）時，煤層上方的K2灰巖及上覆軟巖層發生第一次周期性垮落，垮落巖塊長度26.2cm。煤壁側冒落角為62°，預留煤柱側冒落角為70°，上覆的砂質泥巖層也隨之垮落，分層現象出現，垮落特征圖如圖5。

圖5第一次周期垮落特征圖

（4）當模擬開挖到106cm（相當現場為106m）時，煤層上方的K2灰巖及上覆軟巖層發生第三次周期性垮落，斷裂線在煤壁前方4cm出（現場為4m），垮落巖塊長度27.5cm。K2灰巖上方的12.5cm和14.6cm處（現場即12.5m和14.6m）出現裂隙，裂隙帶和彎曲下沉帶不斷增大。煤壁側冒落角為62°，預留煤柱側冒落角為68°，具體垮落特征圖如圖6所示。

（５）隨著工作面不斷推進，頂板出現分層次垮落現象，K2灰巖和上方的泥巖先冒落，無序的堆積在采空區，上方較堅硬的中粒砂巖巖層以上的覆巖一般呈整體移動，且巖層一般不再破裂，只是在自重作用下產生的法向彎曲，形成彎曲下沉帶。工作面上覆巖層逐漸冒落、變形、離層，巖層重量逐漸由采空區冒落矸石承擔，離層逐漸被壓實如下圖7所示。

圖6第三次周期垮落特征圖

圖7頂板垮落特征圖

4結論

采用相似模擬試驗對堅硬頂板切眼預裂條件下綜采工作面覆巖移動規律進行研究，得到以下結論：

（1）工作面經過切眼放頂后，煤層的頂板成了懸臂梁結構，頂板初次垮落后，向采空區方向傾斜垮落，K2灰巖初次垮落步距為58.5m，周期來壓步距平均為22.5m；

（2）工作面C9層泥巖以下為垮落帶，約為15m，而該巖層以上為裂隙帶；

（3）K2灰巖垮落后其上軟巖層分段冒落，垮落厚度約為3~4倍采高；隨開采不斷進行，工作面前方煤壁的冒落角和采空區一側煤壁的冒落角變化不大。

【參考文獻】

［１］任艷芳,寧宇,齊慶新.淺埋深長壁工作面覆巖破斷特征相似模擬[J].煤炭學報,2013,38(1):61-66.

［２］郭浩森.特厚煤層綜放采場礦壓顯現特征及覆巖移動規律研究[D].河南理工大學,2012.

［３］陳義東,李英明.特厚煤層大采高綜放工作面覆巖上層活動規律的相似模擬研究[J].2011,31(2):8-10,31.

［４］劉純貴.馬脊梁煤礦淺埋煤層開采覆巖活動規律的相似模擬[J].煤炭學報,2011,36(1): 8-11.

［５］郭浩森,李化敏,李東印,等.重型綜放工作面快速回撤與末采期頂板控制技術[J].煤炭科學技術,2012,40(10):34-36,40.

［６］付玉平,宋選民,邢平偉,等.淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規律的模擬研究[J].煤炭學報,2012,37(3):367-371.

［責任編輯：湯靜］