石港煤業(yè)15109綜放工作面覆巖破斷規(guī)律研究

蘆寶玉

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032612）

0 引言

綜采放頂煤采煤法具備巷道布置簡單、回采效率高、人力成本低等特點(diǎn)[1]，綜放開采雖然具備上述優(yōu)點(diǎn)，但也伴隨大量問題，如資源回收率低、放煤后瓦斯積聚等問題，對此，大量學(xué)者進(jìn)行研究：許延春[2]提出一種適用于綜放工作面中硬、軟巖圍巖條件下的“兩帶”發(fā)育高度經(jīng)驗計算公式；王國法[3]建立了支架圍巖耦合控制力學(xué)模型，提出了大采高綜放開采支架設(shè)備選型的依據(jù)；閆少宏[4]對大采高綜放開采的工作面參數(shù)、煤炭資源采出率等問題進(jìn)行探討；張宏偉[5]通過理論分析提出綜放工作面覆巖頂板破壞高度，應(yīng)用計算機(jī)數(shù)值仿真的方法予以驗證；王金華[6]通過理論分析與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法提出了高產(chǎn)高效放煤技術(shù)與“低賦存、高涌出”條件下的安全開采綜合技術(shù)。

盡管針對綜放開采，我國已有部分學(xué)者做出大量研究，但綜放工作面覆巖頂板垮落規(guī)律一直以來仍是綜放開采的研究重點(diǎn)之一，對此，以石港煤業(yè)15109工作面為研究背景，通過理論分析與物理相似模擬的方法，分析綜放工作面覆巖頂板運(yùn)移規(guī)律，研究結(jié)果可對同類地質(zhì)條件下的綜放開采頂板治理問題提出指導(dǎo)。

1 工程背景

石港煤業(yè)15109工作面埋深平均埋深421m，工作面走向長度1172m，傾向長度150m，煤層傾角平均6°，工作面煤層厚度平均7.21m，煤層賦存穩(wěn)定，一般含3層夾肝，煤層節(jié)理發(fā)育，具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 15109工作面頂?shù)装鍘r性參數(shù)表

2 相似模擬試驗

2.1 相似模擬試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

試驗以石港煤業(yè)15109綜放工作面為背景，直接頂、老頂分別為泥巖、石灰?guī)r，直接底為泥巖，老底為鋁土質(zhì)泥巖，建立15109綜放工作面相似模擬試驗?zāi)Ｐ停M設(shè)計相似比如下：

1）幾何相似比。

幾何相似比旨在將試驗?zāi)Ｐ团c原始地層的幾何尺寸以一定比例同比例縮放，幾何相似比計算方法如式（1）：

式中：Ly為原始地層尺寸；Lm為試驗?zāi)Ｐ统叽?；Cl為幾何相似比。最終確定幾何相似比為100:1。

2）容重相似比。

容重相似比旨在將試驗?zāi)Ｐ团c原始地層的容重以一定比例同比例縮放，容重相似比計算方法如式（2）：

式中：Cy為原始地層容重；Cm為試驗?zāi)Ｐ腿葜?；Cγ為容重相似比。取原始地層容重為2.6g/cm3，試驗?zāi)Ｐ腿∑骄葜貫?.7g/cm3，最終確定容重相似比為1.53:1。

3）應(yīng)力相似比。

應(yīng)力相似比旨在將試驗?zāi)Ｐ团c原始模型的應(yīng)力分布以一定比例同比例縮放，應(yīng)力相似比計算方法如式（3）：

式中：αy為原始地層平均密度；αm為試驗地層平均密度，最終確定應(yīng)力相似比為153:1。

2.2 相似模擬試驗配比確定

相似模擬試驗常以粉煤灰、大白粉、石膏骨料、河沙、水等作為原材料，以一定比例配合制備，按上述相似比記性調(diào)配，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)資料及試驗測得的巖石力學(xué)參數(shù)，確定能夠適應(yīng)礦區(qū)實(shí)際環(huán)境的各巖層力學(xué)參數(shù)，最終計算得出配比參數(shù)見表2。

2.3 相似模擬試驗結(jié)果

設(shè)計模型左右兩邊各預(yù)留50m寬度的邊界煤柱，工作面開挖步距3m，模擬工作面開采過程時，采放比1:1.76，采用隨采隨放工藝進(jìn)行施工，同時用模擬支架替代工作面的移架過程，同時在模型中布置測點(diǎn)，監(jiān)測模型開挖后應(yīng)力分布狀況。

工作面推進(jìn)至64m時，頂板初次垮落，左側(cè)頂板跨落角45°，右側(cè)跨落角38°，垮落帶發(fā)育高度23.2m，頂板懸頂距離為38m，在放煤工作開始之前，頂板以“砌體梁”形式穩(wěn)定鉸接，采空區(qū)左右兩的巖塊分別發(fā)生正向回轉(zhuǎn)與反向回轉(zhuǎn)，頂板跨落后形成穩(wěn)定的拱形結(jié)構(gòu)，最大裂隙高度為6.8m，當(dāng)移動支架放出頂煤后，頂板繼續(xù)向前跨落，最終區(qū)域穩(wěn)定，頂板初次垮落圖如圖1所示。

表2 15109工作面相似模擬試驗配比參數(shù)表

圖1 相似模擬試驗頂板初次垮落圖

工作面推進(jìn)至79m時，工作面上方頂板再次垮落，左側(cè)回轉(zhuǎn)角為44°，與初次來壓時差異不大，右側(cè)回轉(zhuǎn)角降至32°。頂板裂隙帶進(jìn)一步向上方擴(kuò)展，初次來壓期間的空頂區(qū)域逐漸被壓實(shí)，同時在其上方約22m的位置出現(xiàn)新的空頂區(qū)域，頂板懸空長度減小，由原來的38m減小為28m，垮落的巖體重新分布后重新區(qū)域穩(wěn)定，表明工作面推進(jìn)存在周期來壓現(xiàn)象，隨著頂煤的放出，頂板繼續(xù)垮落，垮落范圍沿橫向縱向均有所拓展，由此能夠得出，在頂煤放出過程中，頂板上方積聚的能量得到釋放，此時支架所受壓力較大，應(yīng)該在這一階段加強(qiáng)支架設(shè)備的管理等措施。

隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，工作面周期來壓現(xiàn)象也間斷發(fā)生，累計共發(fā)生來壓現(xiàn)象8次，其中初次來壓1次，周期來壓7次，平均周期來壓步距15m，第三、四、六、七次周期來壓時垮落圖如圖3所示。

圖3 相似模擬試驗周期來壓垮落圖

在工作面推進(jìn)過程中，采用模擬支架代替工作面液壓支架，通過模型中布置的測點(diǎn)測定支架支護(hù)阻力如圖4所示。由圖4可知，支架在工作面推進(jìn)過程中，共監(jiān)測到來壓次數(shù)為8次，其中，在工作面推進(jìn)至64m時，支架支護(hù)阻力劇增，達(dá)到4987kN。

圖4 模擬支架支護(hù)阻力分布圖

3 現(xiàn)場實(shí)測研究

結(jié)合相似模擬試驗結(jié)果，在15109工作面進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場液壓支架支護(hù)阻力分布圖如圖5所示，由圖5可知，工作面在推進(jìn)至66m時，支架支護(hù)阻力劇增，達(dá)到5050kN，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂隨工作面推進(jìn)持續(xù)垮落，在工作面推進(jìn)至81m處，支架支護(hù)阻力再度劇增，判定此時工作面發(fā)生周期來壓，周期來壓步距為15m，與相似模擬結(jié)果基本吻合，且在周期來壓發(fā)生過程中，存在強(qiáng)弱交替的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，周期來壓持續(xù)時間呈短長交替式分布。

圖5 現(xiàn)場液壓支架支護(hù)阻力分布圖

4 結(jié)論

1）相似模擬試驗結(jié)果表明，15109工作面初次來壓步距64m，支架支護(hù)阻力4987kN，來壓期間頂板垮落帶發(fā)育高度達(dá)到23.2m，周期來壓平均步距15m，平均支護(hù)阻力4768kN，與初次來壓相比，周期來壓采空區(qū)左側(cè)跨落角變化不大，右側(cè)跨落角有一定程度上地降低。

2）現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，15109工作面初次來壓步距與周期來壓步距均幾乎與相似模擬試驗所得結(jié)果吻合，且在周期來壓發(fā)生過程中，存在強(qiáng)弱交替的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，周期來壓持續(xù)時間呈短長交替式分布。