特厚煤層卸壓綜放開采技術原理的實驗研究

王家臣，呂華永，王兆會，張錦旺

(1.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083; 2.放頂煤開采煤炭行業工程研究中心，北京 100083)

我國厚煤層開采是以放頂煤和大采高開采為主[1-2]，在12 m以下厚煤層的開采中得到成功應用和普遍推廣，2014年在大同塔山煤礦，通過裝備研發和技術改進，大采高綜放技術成功應用于20 m特厚煤層的開采，資源回收率達到88.9%。目前可以解決厚度20 m以下的特厚煤層一次采全高的高效綜放開采難題，國外一些學者也進行了相關研究[3-5]，總體上看，我國的厚煤層開采技術研究與應用方面處于世界領先水平[6-7]。在放頂煤開采理論方面，如頂煤放出規律[8-14]、支架與圍巖關系[15-16]、頂煤破壞機理等[17-19]，也處于世界前列。我國未來的煤炭主采區新疆等西部地區賦存有大量20 m以上特厚煤層，由于埋藏深度等原因，大部分這類煤層無法實現露天開采，因此如何實現20 m以上特厚煤層安全高效的地下開采是一直沒有解決的世界性難題，國際上也沒有類似的理論與技術可以借鑒。

現階段對特厚煤層進行相關基礎理論研究，為未來該類煤層開采的技術開發做基礎理論準備十分必要。筆者基于煤巖體破壞特征，采用相似材料模擬實驗，并以西部某礦實際開采地質條件為依托，對卸壓開采階段頂煤垮落破碎程度、采場邊界垮落形態、支架阻力對頂煤破碎程度的影響及頂煤位移場分布特征、二次綜放階段采動應力作用下頂煤破碎規律及位移場分布特征等內容進行系統的分析和研究，進而揭示頂煤破碎機理，為特厚煤層卸壓綜放開采技術的成功應用提供理論支撐。

1 卸壓綜放開采技術原理

20 m以上特厚煤層分為2類:一類是20 m以上近水平或緩傾斜特厚煤層(≤25°);另一類是20 m以上的急傾斜特厚煤層(>45°)。對于以上2類特厚煤層目前還沒有科學的高效開采方法。如何開采20 m以上特厚煤層是我國煤炭行業面臨的重大理論與技術課題之一，因此筆者提出了特厚煤層卸壓綜放開采技術，如圖1所示。

圖1 特厚煤層中部卸壓綜放開采技術Fig.1 Fully mechanized top-coal caving mining after extracting the middle slice in extremely thick coal seam

將特厚煤層Hm分為A,B,C三層，在B層布置卸壓工作面，采用綜采工藝進行回采，該分層回采過程中，C層煤首先經歷采動加載歷史，工作面推過后則進入卸載進程，自行垮落破碎堆積在A層煤上方，然后在覆巖沉降作用下開始承載，進入應力恢復進程(以上煤體破碎為一次破碎);最后在A層布置綜放工作面，依靠采煤機割煤回采A層煤，依靠放頂煤回采已經垮落破碎在A層上方的頂煤C(此階段煤體破碎為二次破碎)。該開采技術適用于堅硬特厚煤層或者瓦斯含量大的特厚煤層，依靠中層B的開采可實現對硬煤的預破碎或者有效地釋放煤層瓦斯。

卸壓綜放開采頂煤經歷了卸壓采動影響、應力恢復再次承載和綜放開采冒落放出3個進程，多次擾動影響下破壞程度高，可以實現20 m以上特厚煤層的一次性回采，極大提高資源開采效率。

2 相似材料實驗

2.1 工程概況

為了分析20 m以上特厚煤層卸壓綜放開采頂煤破碎效果，故選取西部某礦5號主采煤層為研究對象，對頂煤垮落破碎塊度分布特征、頂煤位移場分布特征及支架阻力對頂煤破壞的影響等內容進行研究，其埋深為524.5～579.6 m，平均為552 m。煤層傾角為3°～10°，平均為6°。煤層平均厚度為26 m，普氏系數為1.5。綜合柱狀圖如圖2所示。

2.2 相似常數及材料配比

根據相似定律，并依據現場實際條件及實驗模型情況，確定下列相似常數。

(1)幾何相似比

(1)

式中，αL為幾何相似比；Lp為原型尺寸，m；Lm為模型尺寸，m。

(2)容重相似比

(2)

式中，αγ為容重相似比；γp為原型煤巖的平均密度，kg/m3；γm為模型煤巖的平均密度，kg/m3。

圖2 煤層綜合柱狀Fig.2 Coal seam comprehensive histogram

(3)時間相似比

(3)

式中，αt為時間相似比；tp為原型工作面推進時間，h；tm為模型開挖時間，h。

(4)應力及強度相似比

ασ=αE=αLαγ=88.2

(4)

式中，ασ,αE為應力及強度相似比。

相似材料選取河砂做骨料，以石灰、石膏作為膠結物。原型的主要煤巖層巖石力學參數見表1，根據相似原理通過計算得到模型的分層高度、合理配比及材料力學性能，具體情況見表2。

表1 煤層及頂底板巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters of coal seam and roof and floor

2.3 模型構建

本試驗采用中國礦業大學(北京)的二維試驗臺，尺寸為:長×寬×高為1 800 mm×160 mm×1 300 mm，采用平面應變模型。鋪設模型時對煤層底板進行簡化，本次模型鋪設總高度為1 100 mm，模擬頂板巖層高度為37 m，剩余515 m采用配重模擬加壓。實體模型鋪設前在距離煤層中部卸壓層上方45.3 mm處向上采用5 cm×5 cm的網格式布置15行31列位移測點，并在邊界處留設15 cm的保護煤柱。最后確定卸壓層和綜放層具體位置及卸壓工作面推進方向，煤層中部卸壓層高度設計為5 cm，底部綜放層高度設計為5 cm，具體模型構建情況如圖3所示。

表2 模型鋪設分層材料用量Table 2 Model laying layered material consumption table

注:水的質量按照分層干重的12%計算。

圖3 相似模擬實體模型Fig.3 Similar simulated solid model

2.4 觀測方案

模型開挖前首先在模型正前方固定GoPro HERO 5 Black 運動高速攝像機位置，用于采集頂煤變形過程中的高分辨率圖像，然后基于圖像散斑獲取頂煤位移場。在卸壓層開挖過程中，使用自制簡易液壓支架(由FPY-101型分離式液壓千斤頂、CP-180型手動液壓泵及頂梁等組成)監測支架的承載特性及升降架對頂煤變形破壞的影響，支架頂梁尺寸為:長×寬×厚=100 mm×160 mm×10 mm，在頂梁中部由模型背面至正面等間距依次安裝1號,2號和3號數據采集器，如圖3所示。圖像采集系統、支架阻力監測系統和非接觸位移測量系統如圖4～6所示。

圖4 GoPro hero 5 black 運動高速攝像機Fig.4 GoPro hero 5 black sport high speed camera

圖6 支架阻力監測系統Fig.6 Support load monitoring system

2.5 試驗過程

在試驗過程中，各個系統相互聯系，嚴禁移動圖像采集設備，便于后期準確分析頂煤位移場分布特征。結合相似理論估算支架阻力為3.9 kN，由于以支架加載至卸載狀態為周期來監測支架阻力，故確定工作面回采工序為:升架—割煤—降架—移架。首先于模型左下方開挖卸壓工作面的開切眼，然后安裝支架及支架阻力監測設備。工作面每次推進約5 cm，共推進22次。隨著工作面推進，監測各循環支架阻力變化情況并記錄模型狀態。由于頂煤比較破碎和松散，在分析其變形破壞特征時綜放工作面不再使用簡易支架。

3 頂煤塊體分布特征

根據試驗過程中頂煤垮落破碎的實際情況，利用塊度來描述卸壓開采階段和二次綜放階段頂煤的垮落破碎特征，進而評價頂煤在二次綜放采動應力作用下的破碎效果。

3.1 卸壓開采階段

如圖7所示，當卸壓工作面推進75 cm時，在支架上方和采空區上方出現第3次大面積頂煤垮落破碎現象且第1次從直接頂臨界面剝離，垮落空間形態呈梯形，垮落角度為57°，垮落高度為29 cm，垮落長度為75 cm，移架后支架上方頂煤出現一條長度約為10 cm的近豎直裂隙。根據圖7局部放大圖，可以統計出已垮落頂煤的塊體體積分布情況，如圖8所示，隨著頂煤塊體體積的增大，其所占比例和數量均呈先急劇增大后逐漸趨于穩定的趨勢，且在累計塊體體積達到500 cm3時，其所占比例和數量增長較緩慢，這說明體積為500 cm3以內的頂煤塊體比較密集，塊體所占累計比例約為94%，塊體數量約為860個。

圖7 卸壓工作面推進75 cm時頂煤垮落破碎特征Fig.7 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 75 cm

圖8 卸壓工作面推進75 cm時頂煤塊度分布特征Fig.8 Distribution characteristics of the top-coal block when the working face is extracted 75 cm

圖9 卸壓工作面推進135 cm時頂煤垮落破碎特征Fig.9 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 135 cm

如圖9所示，當卸壓工作面推進135 cm時，模型開挖完畢，頂煤和頂板垮落空間形態均呈梯形，支架上方形成一條長度約為30 cm且貫穿頂煤和頂板的近豎直裂隙。頂煤垮落角度為60°，垮落長度為135 cm。頂板垮落角度為58°，垮落長度為105 cm。根據圖9局部放大圖，統計出已垮落頂煤的塊體體積分布情況，如圖10所示，隨著頂煤塊體體積的增大，其所占比例和數量均呈首先急劇增大后趨于穩定的趨勢，即在累計塊體體積達到500 cm3時，其所占比例和數量基本趨于穩定，超過500 cm3的大塊體頂煤較少，且體積為500 cm3以內的頂煤塊非常密集，塊體所占累計比例約為96%，塊體數量約為1 700個。與卸壓工作面推進75 cm時相比，體積為500 cm3以內的頂煤塊體比例增加了2%，但塊體數量增加了840個。

圖10 卸壓工作面推進135 cm時頂煤塊度分布特征Fig.10 Distribution characteristics of the top-coal block when the working face is extracted 135 cm

3.2 二次綜放階段

如圖11所示，當綜放工作面推進17 cm時，工作面上方及前方頂煤得到進一步破碎，裂隙發育明顯。頂煤隨采隨冒，形成較小的塊體結構，其上部巖層也同步冒落，形成鉸接巖塊，且出現冒空區。頂煤頂板形成近似直角梯形的垮落空間形態，煤巖分界面模糊，有極少量矸石混入頂煤，頂煤冒落角度大于90°，冒落長度為44 cm。頂板垮落角度為90°，垮落長度為30 cm。根據圖11統計出冒落頂煤的塊體體積分布情況，如圖12所示，隨著頂煤塊體體積的增大，其所占比例和數量均呈首先急劇增大后趨于穩定的趨勢，即在累計塊體體積達到100 cm3時，其所占比例和數量趨于穩定，且累計體積達到500 cm3時幾乎包含全部頂煤塊體，塊體比例約為99.9%，塊體數量約為4 810個。

圖11 綜放工作面推進17 cm時頂煤垮落破碎特征Fig.11 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 17 cm

圖12 綜放工作面推進17 cm時頂煤塊度分布特征Fig.12 Distribution characteristics of the top-coal block when the working face is extracted 17 cm

如圖13所示，二次綜放階段頂煤塊體累計體積約為550 cm3，500 cm3以內的頂煤塊體最為密集，與卸壓完畢相比，塊體比例增加了3.9%，塊體數量增加了3 110個，二次破碎后頂煤塊體體積明顯變小，較小體積的塊體數量明顯增多，二次破碎效果顯著。

圖13 頂煤破碎效果比較Fig.13 Comparison of the top-coal broken effect

4 頂煤位移場分布特征

為了更加精確地測量開采過程中頂煤及上覆巖層的變形及運移情況，采用DIC全場應變測量技術來描述分析卸壓開采階段和二次綜放階段的頂煤位移場分布特征，進而分析頂煤在二次綜放采動應力作用下的破碎情況。在工作面回采過程中，工作面上方頂煤產生與推進方向相反的水平位移及向下的垂直位移，位移場分析時，規定位移與卸壓層推進方向相同為正，垂直向下為正。

4.1 卸壓開采階段

如圖14所示，當卸壓工作面推進90 cm時，水平位移主要集中在梯形垮落空間兩腰位置附近區域，且在兩腰位置上方位移等值線比較密集，說明此區域水平位移較大，垮落空間中下部頂煤水平位移和垂直位移均較小，這是由于此時頂板未垮落沖擊垮落空間中下部煤體的原因，此外垂直位移與水平位移類似，主要集中在梯形垮落空間兩腰位置附近區域，支架上方頂煤及兩腰上方頂煤垂直位移較大。

圖14 卸壓工作面推進90 cm時頂煤位移場Fig.14 Displacement field of top-coal when working face is extracted 90 cm

圖15 卸壓工作面推進140 cm時頂煤位移場Fig.15 Displacement field of top-coal when working face is extracted 140 cm

如圖15所示，當卸壓工作面推進140 cm時，除支架后上方，垮落空間內水平位移均較小，而垂直位移普遍較大。由于堆積頂煤上方存在無煤體充填區，上位巖層垂直位移最大，此外工作面上方上位頂煤垂直位移也較大，且頂煤較破碎。綜上所述，在同一回采循環期間，位移越大且等值線越密集的區域，頂煤垮落破碎程度越高。上位頂煤位移>中位頂煤位移>下位頂煤位移，由于支架作用，下位頂煤會出現塊體脫落現象，導致部分區域下位頂煤位移較大。

4.2 二次綜放階段

如圖16所示，當綜放工作面推進17 cm時，采動影響區域內工作面上方頂煤水平位移較大，等值線較密集，同區域工作面上方頂煤垂直位移大于水平位移，因此，下位頂煤位移最大，垮落破碎程度最好。

圖16 綜放工作面推進17 cm時頂煤位移場Fig.16 Displacement field of top-coal when working face is extracted 17 cm

5 支架阻力與頂煤破壞特征

如圖17所示，當卸壓工作面推進45 cm時，在升架階段，支架最大阻力達到2.4 kN，頂梁阻力分布規律為:2號>1號>3號，支架合力作用點在頂梁中部;在支撐階段，頂梁阻力分布規律為:1號>2號>3號，支架合力作用點在頂梁左端;支架卸載后，頂梁阻力迅速降為0。在升架階段，由于受到支架的支撐作用，支架上方頂煤得到一定程度的破壞，下位頂煤產生了多條明顯的裂隙，如圖18所示。

圖17 卸壓工作面推進45 cm時支架阻力分布Fig.17 Support load distribution when working face is extracted 45 cm

圖18 卸壓工作面推進45 cm時頂煤垮落破碎特征Fig.18 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 45 cm

如圖19所示，當工作面推進130 cm時，在升架階段，支架最大阻力達到2.6 kN，頂梁阻力分布規律較為復雜，支架合力作用點交替出現在頂梁左中右部;在支撐階段，頂梁阻力分布規律為:1號<2號<3號，支架合力作用點在頂梁右端，由于頂梁左上方頂煤較為破碎，所以頂梁左部和中部阻力呈緩慢下降趨勢，其值降低為0后保持恒定;支架卸載后，頂梁右部阻力迅速降為0。在升架階段，由于受到支架的支撐作用，下位頂煤得到明顯的破壞，產生兩條長約10 cm的裂隙，如圖20所示。綜上所述，支架的反復支撐作用能夠促進頂煤的一次破碎效果，進而可以提高其二次破碎效果。

圖19 卸壓工作面推進130 cm時支架阻力分布Fig.19 Support load distribution when working face is extracted 130 cm

圖20 卸壓工作面推進130 cm時頂煤垮落破碎特征Fig.20 Characteristics of the top-coal collapse and fracture when the working face is extracted 130 cm

6 結 論

(1)卸壓開采階段500 cm3以內的頂煤塊體數量較多，卸壓完畢塊體比例增加了2%，塊體數量增加了840個;二次綜放階段頂煤塊體比例比卸壓完畢增加了3.9%，塊體數量增加了3 110個，二次破碎后頂煤塊體體積明顯變小，較小體積的塊體數量明顯增多，破碎效果顯著。

(2)采用DIC全場應變測量技術分析頂煤位移場可以得到:同一回采循環期間，卸壓開采階段支架上方和垮落煤體充填區周圍頂煤位移較大且等值線較密，垮落破碎程度較好，上位頂煤位移>中位頂煤位移>下位頂煤位移。二次綜放階段下位頂煤位移最大，垮落破碎程度最好。

(3)在卸壓工作面回采過程中，支架阻力分布特征可明顯分為升架、支撐及降架3個階段，在升架階段支架阻力緩慢上升，下位頂煤中出現明顯的豎向裂隙，對頂煤破壞的影響范圍約為10 cm，支架反復支撐作用能夠促進頂煤的破碎效果。