急傾斜特厚煤層采場結構失穩相似模擬實驗分析

申曉東

（西山煤電（集團）有限責任公司鎮城底礦，山西 古交 030203）

45°特厚煤層開采過程中，采場煤巖體在頂板巖層與松散體的相互作用下，容易形成某種結構，從而對采空區上覆巖層與松散體起到一定的支撐作用，且該類結構的形成與失穩，對采場強礦壓致災形式與強度有直接的影響[1-2]。因此，本文應用相似模擬實驗與理論分析的方法，對采場結構的失穩特征與能量變化規律以及致災特征進行分析[3-4]。

1 相似模擬理論及模型設計

1）工作面地質賦存特征。某煤礦北采區位于八道灣向斜北翼，地層走向北東67°，傾向南東157°，西陡東緩，采區地面平均標高為+790 m。目前采區主采煤層為43號和45號煤層，煤層結構簡單，平均厚度分別約為 41.3 m、30.6 m，傾角 43°～51°。43 號煤層與45號煤層間巖柱為堅硬的粉砂巖（f=3.5～4），平均厚度約為102 m。老頂與直接頂及底板均為粉砂巖，泥鈣質膠結，直接頂厚度為3～5 m。煤層上部受原鐵廠溝煤礦與已廢棄小煤窯不同程度的采動影響。其中，原鐵廠溝煤礦45號煤層已開采至+707 m水平，43號煤層開采至+726 m水平，開采深度為70～90 m，其他廢棄小煤窯的開采垂深為67～125 m。

45號煤層直接頂主要為粉砂巖，厚度3～5 m。煤層底板主要為炭質泥巖。

2）工作面布置特征。由于45°特厚煤層特殊的地質賦存特征，導致其很難應用水平煤層的工作面布置方式。

2 采場結構失穩過程及結果分析

2.1 采場結構失穩特征

1）第一分段開采過程中覆巖破壞特征分析。第一分段采取隨采隨放的開采方式，沿煤層走向推進。當工作面推進至2～3 cm時，頂板巖層靠近工作面位置形成多條縱向、橫向裂隙；隨著工作面的推進裂隙發育程度升高，當工作面推進至4～5 cm時，頂板巖層在沿走向0～3.6 cm，傾向2.6～9.4 cm的范圍內發生垮落現象，垮落高度為沿煤層法向1.2 cm；此后，偽頂巖層隨工作面的推進，沿煤層傾向與法向的垮落范圍不斷擴大，而沿煤層法向的垮落高度變化較小。當工作面推進至7.0～8.3 cm時，直接頂巖層在沿煤層傾向4.8～10.1 cm，沿煤層走向0～3.6 cm的范圍內發生垮落，垮落高度為沿煤層法向2.3 cm；當工作面推進至10.8～11.4 cm時，偽頂巖層沿傾向垮落高度擴展至工作面上邊界；當工作面推進至13.5～14.1 cm時，部分直接頂巖層沿傾向垮落高度也擴展至工作面上邊界；隨工作面的繼續推進，頂板巖層垮落范圍擴展速度加劇，工作面推進至17.6～18.7 cm時圍巖發生大面積垮落，局部頂板巖層沿煤層法向的垮落高度達3.6～14.0 cm，部分圍巖裂隙已擴展至模型上邊界，已垮落的直接頂巖層與采空區內的松散體相互鉸接形成自穩結構。

根據上述對工作面推進過程中，采場覆巖運移特征描述可知：在第一分段開采過程中，覆巖未發生大范圍垮落，且與上覆松散體形成自穩結構，表明此時采場煤巖體裂隙發育程度較差，處于蓄能階段。

2）第二分段開采過程中覆巖破壞失穩特征分析。開采初期第二分段工作面圍巖相對穩定，工作面煤體未出現明顯裂隙發育情況，頂煤亦無明顯下沉現象，此時工作面頂板處于彈性可恢復階段。隨著工作面繼續推進到8.4 cm時，由于頂煤的不斷放出，為殘留煤體及采空區內松散體向下運移提供了運移空間，使頂板巖層受到的支撐應力減小，工作面頂板裂隙擴展速加快，甚至局部開始發生下沉，且隨著時間的推移，下沉量進一步增大，此時工作面頂板處于塑性階段。隨著第二分段的開采，第一分段采空區處的那條裂隙由于承受的載荷繼續增加，裂隙繼續發育擴張到基本接近至地表處，隨著第二分段的繼續開采那條裂隙帶貫穿至地表導致沿裂隙帶右側巖層整體垮落，老頂垮落時的能量釋放才導致了動力災害的發生。

圖1 第一分段開采前后覆巖賦存特征

圖2 第二分段開采過程中覆巖賦存特征

2.2 聲發射特征

在數據統計分析時，根據模型開采過程中出現各現象（垮落、宏觀裂隙產生或擴展）時聲發射事件的平均能量，可將各聲發射事件按其能量大小分為大、中、小三個級別，從而科學有效的分析分析圍巖整體能量釋放和圍巖活動劇烈程度。具體分類見表2。

表2 聲發射等級分類

1）第一分段開采過程中聲發射特征分析。由圖3聲發射信號變化特征可知，當工作面剛開始推進時聲發射事件以中事件為主，且事件數較少，平均每推進0.5 cm事件數為0.7×104次，釋放能量值為0.5×105mV·μs。工作面推進至1 cm后，隨工作面的繼續推進事件數與釋放能量值都呈上升趨勢，而上升幅度較較小，直到工作面推進至3 cm時，平均每推進0.5cm釋放總能量值達到最大值1.6×105mV·μs，在此過程中聲發射事件以中事件與小事件為主。當工作面推進至3.5 cm時，事件數高達4.5×104次，而釋放能量值僅為 1.6×105mV·μs。此后在 4.5～8.5 cm范圍內，隨工作面的繼續推進，聲發射事件數與釋放能量值都處于較低水平，聲發射事件以中事件與小事件為主。但工作面推進至8 cm后，聲發射事件數與釋放能量值再次上升且趨于平穩，聲發射事件均以中事件為主，每推進0.5 cm聲發射事件釋放總能量值基本處于 1.2×105～2.3×105mV·μs范圍內。

綜上所述，第一分段開采過程中，聲發射事件以中小事件為主，即采場煤巖體破壞形式以微觀裂隙與宏觀裂隙生成及擴展為主，而未發生大面積的垮落，且在此過程中，釋放能量較少。

圖3 聲發射信號變化特征

2）第二分段開采過程中聲發射特征分析。由圖4聲發射信號變化特征可知，在不采取任何頂板弱化措施的條件下，煤層開采過程中，聲發射事件以中與大事件為主，僅在工作面開采快結束時發生多次大事件，且各大事件釋放能量高達25 mV·μs，而小事件幾乎未發生。在工作面推進過程中，每推進0.5 cm的時間段內聲發射總事件數變化不大，主要分布在2.0×104～4.0×104次范圍內，而總釋放能量卻整體呈上升趨勢，當工作面推進至17 cm時達到了最大值7.5×105mV·μs。

圖4 聲發射信號變化特征

3 結論

基于理論分析結果表明：采場結構未發生畸變失穩前，在高應力作用下，強礦壓誘災形式表現為幫鼓、底鼓、片幫等，且隨開采水平的下移災害的影響范圍增大、嚴重程度升高；采場結構畸變失穩過程中，在巨大沖擊力與大量彈性能的作用下，災害形式表現為劇烈破壞、震動以及在采空區內形成暴風等，嚴重威脅采場安全生產的強礦壓事件；且隨開采水平的不斷延伸強礦壓誘災的頻率與強度整體表現為“遞增—驟減—遞增”的循環過程。

物理模擬實驗表明：第一分段開采過程中，覆巖破壞形式以宏觀裂隙與微觀裂隙發育及擴展為主，采場煤巖體發生聲發射事件數與釋放能量值較少，并在采空區內形成自穩結構；第二分段開采過程中巖體破裂速度加快，聲發射事件數增多，并在開采后期，采場結構失穩，覆巖大面積垮落，聲發射事件數與釋放能量驟增。

本文成果對45°特厚煤層開采中強礦壓控制提供了理論依據，對類似條件煤層的安全開采具有指導意義。