三軟大傾角厚煤層大采高綜采面覆巖破壞特征研究

李成峰

（陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司 一礦，山西 陽泉 045008）

1 概述

隨著科技進(jìn)步的快速發(fā)展，煤炭工業(yè)日趨向大型化、集中化、高產(chǎn)高效方向發(fā)展，這也極大地促進(jìn)了采煤技術(shù)與裝備水平的快速發(fā)展。但是隨著我國煤炭資源的持續(xù)開采，許多礦井的煤炭資源日益枯竭，使得一些地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜及“三軟”大傾角厚煤層開采日益受到重視。大采高綜采是指采高在3.5 m以上的一次采全高的綜采技術(shù)，具有煤炭資源回采率高、生產(chǎn)能力大、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前國內(nèi)外厚煤層（3.5～6.0 m）開采技術(shù)的主要發(fā)展方向［1-3］。但是經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐及理論研究發(fā)現(xiàn)，大采高工作面由于開采高度大、事故率高、支架-圍巖系統(tǒng)穩(wěn)定性差、覆巖變形破壞復(fù)雜及支架失穩(wěn)等，嚴(yán)重制約了大采高綜采面效率的發(fā)揮。

三軟煤層受到自身圍巖巖性和結(jié)構(gòu)的影響，生產(chǎn)中出現(xiàn)冒頂、煤壁片幫、礦壓顯現(xiàn)劇烈等問題，從而造成巖石破裂或坍塌，影響回采工作面的單產(chǎn)及機(jī)械化程度。我國諸多煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，對于大傾角三軟煤層的研究較少。因此，本文根據(jù)三軟大傾角厚煤層大采高的工程背景及開采條件，通過理論分析及相似模擬研究了工作面覆巖破壞特征，研究成果可為大傾角三軟煤層大采高工作面頂板管理進(jìn)行借鑒和參考。

2 工程概況

一礦是陽煤集團(tuán)的主力礦井，核定生產(chǎn)能力7.50 Mt/a，為高瓦斯礦井，主要開采15#煤層，為不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。81103綜采工作面屬于大傾角三軟煤層，位于十一采區(qū)的東翼下部東段，開采的15#煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡單，地質(zhì)儲量0.523Mt，可采儲量0.497 Mt，可采走向長度464～452 m，采面傾斜長154m，煤層走向29.4°，傾向20.4°，傾角26°～32°，平均30°。煤厚平均6.22m，煤層直接頂板為泥巖，厚度1～2 m，基本頂為灰黑色石灰?guī)r，厚度8.0～16.6 m，工作面布置 ZY10000/28/62型掩護(hù)式液壓支架、MG550/1380-WD型雙滾筒采煤機(jī)和SGZ900/2×315型刮板運(yùn)輸機(jī)，采用端部斜切進(jìn)刀、全部垮落法處理頂板，采用后退式走向長壁一次采全高采煤方法采煤。

3 大傾角煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

大傾角煤層頂板懸空下位頂板在自身重力及上覆巖層作用下，應(yīng)力集中造成巖層開始破斷，直接頂破斷后上覆巖層產(chǎn)生離層裂隙，隨著離層量的增大，巖層產(chǎn)生垂直裂隙，在巖層自身重力及上覆巖層壓力作用下，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展造成巖層的破斷，破斷后巖塊運(yùn)動相互擠壓，形成“砌體”結(jié)構(gòu)模型，通常這種砌體結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定性要大于水平煤層開采形成的砌體結(jié)構(gòu)，而隨著煤層的繼續(xù)開采，更上位的巖層進(jìn)一步破斷形成砌體結(jié)構(gòu)模型［4］，傾斜煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 傾斜煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)特征

另外，冒落帶呈現(xiàn)“曲面”結(jié)構(gòu)特征，在工作面中上部，曲面曲率較大，通常頂板破斷較為充分，并且垮落后巖塊間相互鉸接，但是由于塊度較小，相互間鉸接強(qiáng)度不夠，無法形成有效的結(jié)構(gòu)體承載上覆巖層壓力，因此上覆巖層也跟隨破斷并鉸接。對于近水平煤層，垮落帶為煤層開采后的直接上覆巖層，而對于大傾角煤層，工作面上部垮落帶鉸接結(jié)構(gòu)的邊界處于垂直于煤層傾向和豎直線之間，垮落帶邊界在工作面上部范圍要更大。

4 覆巖破壞相似模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 模型的建立

根據(jù)煤礦具體條件，取上覆60 m厚度的巖層，模型設(shè)計(jì)按照1∶40比例制作，建立的模型長度為2.5 m，高度為1.6m，見圖2。依據(jù)相似定律確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨瞥?shù)為150，容重相似常數(shù)為1.5，時(shí)間相似常數(shù)為10，應(yīng)力及強(qiáng)度相似常數(shù)為60。相似材料采用砂為骨料，碳酸鈣、石膏為膠結(jié)物，試驗(yàn)中在不同層支架鋪設(shè)云母，模擬巖層節(jié)理，以達(dá)到模擬層理之間相互離層的效果［5］。

圖2 覆巖破壞相似模擬模型

4.2 覆巖破斷過程及結(jié)構(gòu)特征

當(dāng)開挖20m時(shí)，頂板在巖塊1和巖塊2之間形成鉸接結(jié)構(gòu)，而頂板破斷后的巖塊2和煤壁也形成鉸接結(jié)構(gòu)，但由于直接頂較薄，破斷后無法充填采空區(qū)，在垮落巖塊和上覆未垮落巖層之間形成了懸空結(jié)構(gòu)，開挖20m處頂板垮落形態(tài)見圖3。

圖3 開挖20m處頂板垮落形態(tài)

當(dāng)開挖24 m時(shí)，頂板進(jìn)一步垮落，上覆巖層在煤壁處形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)，且此時(shí)頂板內(nèi)已經(jīng)有裂隙存在，開挖24m處頂板垮落形態(tài)見圖4。

圖4 開挖24m處頂板垮落形態(tài)

當(dāng)開挖40 m時(shí)，頂板的垮落礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，此時(shí)頂板垮落角較大，并且破斷處靠近煤壁，并且在重力分量作用下，垮落的巖層整體呈現(xiàn)下移，已垮落巖石對該巖塊形成直接支撐作用，提高了該巖塊的穩(wěn)定性，因此該巖塊未出現(xiàn)破斷垮落現(xiàn)象，暫時(shí)保持了穩(wěn)定，可見在傾斜工作面，由于傾角的存在，提高了局部巖塊的穩(wěn)定性，有利于頂板的控制，開挖40m處頂板垮落形態(tài)見圖5。

圖5 開挖40m處頂板垮落形態(tài)

當(dāng)開挖56 m時(shí)，直接頂巖層懸臂梁式破斷，前腳處觸及底板，后腳處和直接頂鉸接，由于煤層傾角的存在，該鉸接結(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定，而上覆關(guān)鍵層并未沿著破斷裂隙而垮落，但是由于破斷角較大，因此該結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，容易沿著破斷角而發(fā)生滑落失穩(wěn)。隨著煤層的推進(jìn)，在上覆巖層作用下，工作面頂板結(jié)構(gòu)會二次破斷，上覆巖層的破斷下沉，并有較大離層裂隙存在，開挖56 m處頂板垮落形態(tài)見圖6。

圖6 開挖56m處頂板垮落形態(tài)

根據(jù)開挖過程覆巖垮落形態(tài)分析得出：

（1）采空區(qū)充填不均勻，呈懸頂狀態(tài)；

（2）采場頂板呈現(xiàn)非對稱的規(guī)律，頂板破壞及運(yùn)移特征具有不對稱性、不均衡性；

（3）冒落帶呈現(xiàn)傾斜“弧形”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在中上部垮落帶最大，說明在中上部頂板壓力最大；

（4）受煤層傾角影響，頂板垮落后中上部不易形成鉸接結(jié)構(gòu)，下部易形成鉸接結(jié)構(gòu)；

（5）由于傾角的存在，頂板破斷后，破斷巖塊更容易形成鉸接結(jié)構(gòu)，而形成“砌體”結(jié)構(gòu)，因此在傾斜方向“砌體”結(jié)構(gòu)的存在也提高了頂板的穩(wěn)定性。

4.3 頂板破斷運(yùn)移規(guī)律

經(jīng)監(jiān)測頂板水平位移情況，工作面頂板水平位移變化曲線見圖7，工作面頂板垂直位移變化曲線見圖8，工作面頂板傾斜位移變化曲線見圖7。

圖7 工作面頂板水平位移變化曲線

從圖7中可以看出：①工作面頂板上部水平位移普遍大于下部水平位移；②距離煤層越近頂板水平位移越大；③隨著工作面開采水平位移量呈現(xiàn)降低趨勢，上部頂板位移量降低緩慢，下部頂板位移量降低幅度較大；④水平位移在工作面長度16 m處達(dá)到最大，下部由于受到煤壁支撐作用，位移量在0.3 m左右，遠(yuǎn)小于工作面上部。

圖8 工作面頂板垂直位移變化曲線

從圖8中可以看出，頂板垂直位移變化與水平位移變化都是在工作面上部位移量較大。①隨著工作面長度的增加，位移量基本呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；②隨著離煤層距離越遠(yuǎn)，位移量顯著變小；③在距離工作面長度16 m處達(dá)到最大值，距離煤層4～14 m范圍位移量均比較大；④在距離煤層17 m、24 m、30 m處，在工作面中部處出現(xiàn)垂直位移最大值，最大值均小于1.5 m。

圖9 工作面頂板傾斜位移變化曲線

從圖9中可以看出：①在工作面頂板傾斜方向的位移變化與水平、垂直位移的變化整體趨勢相似，位移量從上到下不斷減小；②工作面頂板，呈兩端小中間大規(guī)律，具有非對稱變形；③在距離煤層4 m處頂板位移量最大，在上部已經(jīng)不斷減小，對巖層影響已經(jīng)較小；④工作面垮落區(qū)域高，冒落矸石易下滑，支架的穩(wěn)定性在上部較差。因此開采時(shí)需要對工作面上部頂板進(jìn)行加強(qiáng)控制。

5 結(jié)語

1）大傾角煤層開采覆巖破壞及運(yùn)移特征具有不對稱性、不均衡性，冒落帶呈現(xiàn)“曲面”結(jié)構(gòu)特征，在工作面中上部，曲面曲率較大，破斷充分且破碎塊度較小，在工作面下部破碎塊度較大易形成“砌體”結(jié)構(gòu)模型。

2）通過相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了三軟大傾角厚煤層大采高開采覆巖破斷過程及結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)從下到上出現(xiàn)充填不均勻，其中采空區(qū)上部頂板要重點(diǎn)管理。

3）通過分析斷裂位移變化，可知冒落帶呈現(xiàn)傾斜“弧形”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，頂板水平位移、垂直位移和傾斜位移具有相似的變化規(guī)律，位移量基本呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且隨著距離煤層越遠(yuǎn)，位移量顯著變小。

4）大傾角工作面最大垮落在工作面上部，頂板破壞高度大，垮落區(qū)域高，冒落矸石易下滑，生產(chǎn)中加強(qiáng)液壓支架的初撐力管理。