近距離煤層下行開采覆巖運移規(guī)律試驗研究

吳俊達 閆奮前 武守鑫

（1.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2.山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400）

近距離煤層是指在井田開采范圍內(nèi)兩煤層間距離較近，開采過程中相互之間存在顯著影響的煤層[1]。許多研究學者采用數(shù)值模擬、理論計算等方法對近距離煤層開采過程中的覆巖運移規(guī)律進行了大量研究[2-3]。孫曉明等[4]得出近距離煤層多工作面開采后，沿空側(cè)相應的圍巖結(jié)構(gòu)動態(tài)演化規(guī)律。魯巖等[5]研究了近距離煤層群覆巖破斷規(guī)律。綜合已有的研究，采用相似材料模擬試驗對近距離煤層開采過程中的覆巖運移規(guī)律進行了系統(tǒng)性研究。

1 煤層賦存條件

新元礦主采煤層為10煤和11煤，層間距為13m，以砂質(zhì)泥巖為主。10煤厚4.0～6.0m，平均5m；11煤厚1.0～3.0m，平均2m，兩煤層傾角均小于8°。

2 相似模擬試驗設計

試驗采用二維相似材料模擬實驗平臺，實驗臺的尺寸為：長1.9m、寬0.22m、高1.8m。

模型材料選為骨料和膠結(jié)料，骨料為普通河沙，粒徑小于1.5mm，膠結(jié)料由石灰和石膏組成，分層材料選用云母粉(模擬巖石層理結(jié)構(gòu))。試驗沿煤層的走向布置8條測線，測線編號由下至上依次為1～8，測線縱向間距為10cm。96個位移測點在橫向上以10cm為間隔布置在測線上，試驗監(jiān)測點分布如圖1所示。

開采10煤時，在模型左、右邊界各留取15cm煤柱，設計在距模型左邊界15cm處為切眼，從左向右逐漸推進，當10煤開采結(jié)束且上覆巖層趨于穩(wěn)定后，再對11煤進行開采。設計工作面每次推進5cm，相當于實際推進5m。利用數(shù)碼相機對煤層開采過程中覆巖運動破壞及位移變化狀況進行拍照及觀測，采用鋼尺測量并記錄每個觀測點的位移變化。

圖1 模型測線及位移測點布置設計圖

3 上層煤開采覆巖運動及位移變化規(guī)律

3.1 覆巖運動規(guī)律

試驗由上層煤開始開采，逐步向前推進，最終開采到停產(chǎn)線處結(jié)束。根據(jù)試驗結(jié)果，直接頂?shù)某醮蝸韷簽?5cm，垮落形態(tài)呈現(xiàn)出“梯形空間”，其兩側(cè)垮落角分別為52°、55°，垮落高度7cm，基本頂?shù)某醮蝸韷簽?0m，分別如圖2（a）和圖2（b）所示，且在垮落過程中可見上覆巖層明顯的離層現(xiàn)象，見圖2（c）；隨著工作面逐漸推進，又不斷出現(xiàn)了離層、懸頂?shù)痊F(xiàn)象，可以認為，當推進到90cm時，巖層發(fā)生了大規(guī)模的彎曲下沉,并最終形成采空區(qū)上覆巖層的垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，如圖2（d）所示。

3.2 位移變化規(guī)律

針對試驗的覆巖位移變化，試驗共布設有8條位移測點，分別為測線1～8，具體布設位置及編號可見圖2。針對位移變化規(guī)律，由于測點及測點呈現(xiàn)出極強的規(guī)律性，因此在此不再一一進行描述，僅選取具有代表性的進行分析研究。對3～5號測線整體進行位移測線的動態(tài)記錄，繪制如下的整體位移曲線。

由圖3可知，當上層煤開采結(jié)束時，隨著上覆巖層的持續(xù)垮落，采空區(qū)的不斷擴大，位移變化的測點也不斷增多，測線整體形狀由此前的“V”形逐漸轉(zhuǎn)為“U”形。

圖2 工作面推進距離關(guān)系圖

圖3 3～5號測線位移變化圖

4 下層煤開采覆巖運動及位移變化規(guī)律

4.1 覆巖運動規(guī)律

當上煤層開采結(jié)束且上覆巖層趨于穩(wěn)定后，開始對下煤層進行開采。根據(jù)試驗結(jié)果，在工作面推進到30cm時，上覆巖層破碎度增加，直接頂發(fā)生初次垮落，而垮落形態(tài)也同樣呈現(xiàn)出“梯形空間”，其兩側(cè)垮落角為70°，如圖4（a）所示。在工作面持續(xù)推進到40cm時，兩煤層之間的泥巖全部垮落并且與上層煤上方已經(jīng)垮落的頂板結(jié)構(gòu)貫通，同時也引起了上層煤上方巖層二次垮落，如圖4（b）所示。隨著工作面推進，上覆巖層出現(xiàn)大規(guī)模彎曲垮落現(xiàn)象，而裂隙不斷向上發(fā)育擴展，垮落高度也進一步增高，如圖4（c）所示。當工作面推進到80cm時，位于采空區(qū)上覆巖層中部的裂隙與離層也進一步壓實閉合，最終形成了采動裂隙壓實閉合區(qū)，如圖4（d）所示。

圖4 工作面推進距離關(guān)系圖

4.2 位移變化規(guī)律

上層煤開挖后，上覆巖層已垮落，因此當下層煤繼續(xù)開挖時，上覆巖層是在之前垮落的基礎上繼續(xù)下沉，因此其位移變化亦是建立在之前位移之上。對于下層煤的覆巖位移，同樣選擇具有代表性的幾條測線，而不是全部加以分析，在此仍對3～5號測線進行分析，三條測線的位移型態(tài)曲線可見圖5。

圖5 3～5號測線位移變化圖

根據(jù)圖5可知，與上層煤三條測線形態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，整體變化類似，均呈現(xiàn)出中部位移變化大、兩邊位移變化小的規(guī)律，并且位移變化規(guī)律曲線形狀也均呈現(xiàn)出由“V”型轉(zhuǎn)為“U”型。

5 結(jié) 論

（1）在下煤層開采過程中，由于煤層間距較近，兩煤層間的巖層破斷垮落，上層煤采空區(qū)上方相對穩(wěn)定的巖層造成了二次失穩(wěn)垮落，致使巖層裂隙向上不斷發(fā)育、垮落高度增大。

（2）通過位移變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，兩煤層位移變化均呈現(xiàn)出中部位移變化大、兩邊位移變化小的規(guī)律，且位移變化規(guī)律曲線形狀呈現(xiàn)出由“V”型轉(zhuǎn)為“U”型。