復合煤層采空區下分層綜放開采相似模擬研究

姚 海，王 寧

(神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315)

隨著我國經濟高速發展，工業和民用所需煤炭量大幅增加，致使煤礦開采深度逐漸增大。其中極近距離復合煤層開采具有成本高、難度大、效率低等特點[1]，是煤礦開采面臨的重要難題之一，制約著煤礦的安全高效發展[2，3]。因此極近距離復合煤層開采逐漸成為礦山開采的研究熱點，目前針對極近距離復合煤層開采的傳統方法有分層開采、大采高和放頂煤等開采方式[4-8]。其中分層開采主要受煤層厚度、開采工效和成本等多種因素制約，已逐漸被大采高開采和放頂煤開采方法所替代。大采高開采方法具有提高工效、減少巷道掘進量、提高煤炭采出率等優勢，在我國煤礦已被廣泛應用，但它仍受采煤機、支架等主要設備限制及片幫等安全因素影響，致使目前仍無法滿足特厚煤層的安全高效開采。而放頂煤開采方法則對頂煤的韌性和強度具有一定的要求，在放頂時，必須保證頂煤可以自行破碎且尺寸適宜[9-12]。

大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤層均厚10m，埋深69～106m，煤體韌性較高，硬度系數f>3.3，煤層傾角1°～7°，則1-2煤層屬于淺埋深特厚堅硬近水平煤層，在該復合區采用傳統開采方法無法奏效，不能保證煤礦安全高效快速開采。因此，活雞兔井1-2煤層復合區開采成為該礦井面臨的主要難題，在對其他類似礦井綜合分析的基礎上，最終活雞兔井決定在1-2煤層復合區實行上分層實行大采高綜合開采、下分層實行綜采放頂煤的開采方法。本文以大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤層復合區地質條件及開采情況為研究背景，依據相似理論，在實驗室確定相似常數和相似材料，進行物理相似材料模擬實驗研究，通過觀測物理實驗模型在上分層綜采、下分層綜放的開采方法下圍巖和地表變形及應力變化情況，進而驗證該開采方法的可行性，并為同類煤礦提供相應的開采經驗基礎。

1 工程概況

大柳塔煤礦活雞兔井井田南北長8.9km，東西寬7.4km，井田面積65.8km2。活雞兔井北面為干旱性河流活雞兔溝，最大水流量為4.3m3/s，礦井實測瓦斯涌出量0.06m3/t。1-2煤層厚4.6～10m，傾角1°～7°，煤層結構簡單，為半暗型煤。

自2001年3月至2006年5月，對1-2煤層上分區201至209工作面進行綜采。上分層開采方式比較隨意，工作面呈蜿蜒狀，且未實施鋪網等支護，對下分層的回采造成極大的影響。1-2煤下分層均厚6.0m，埋深69～116m，由于當時沒有成熟的下分層開采經驗，下分層并未進行回采。1-2煤層12下202工作面是第一個下分層開采的工作面，下分層首采面位置如圖1所示，在掘進和回采時，將面臨著頂板離層冒落、過采空區等多重難題。

圖1 下分層首采面位置

因此，1-2煤下分層回采方式的確定成為活雞兔井開采研究的重中之重。以國內多個相似煤礦研究現狀為背景，活雞兔井綜合考慮各種回采方法對1-2煤層上下分層圍巖應力、變形以及煤炭采出率的影響，最終決定在1-2煤復合層下分層采用綜放開采方式，但仍需驗證其放頂性，即是否會產生較大尺寸的煤塊并阻礙頂煤放出，以及煤炭中含矸率對煤炭資源回采率的影響。基于此，本文以活雞兔井1-2煤層復合盤區圍巖力學參數為基礎(見圖2)，進行物理相似材料模擬實驗，進一步驗證1-2煤層下分層綜放回采的可行性。

圖2 原巖力學參數柱狀圖

2 相似模擬實驗方案設計

相似模擬實驗是依據相似原理，將實際礦山巖層按照一定相似比例進行縮放，得到具有代表性的合理模型尺寸，并利用與煤巖巖性相似的材料鋪制成模型[13-15]。在開挖后，通過監測巖層的位移和破碎范圍，可得到巖層的活動規律，將對實際煤礦開采具有重要的指導意義和作用。

2.1 模型相似常數確定

根據平衡、幾何、物理及邊界條件方程可得到模型相似系數關系見式(1)[16-19]：

式中，Aσ為應力相似常數，Aσ=σp/σm，其中，p和m分別表示巷道原型和實驗模型；Aγ為容重相似常數，Aγ=γp/γm；Al為幾何相似常數，Al=lp/lm；At為時間相似常數，At=tp/tm；Aμ為泊松比相似常數，Aμ=μp/μm；Aφ為內摩擦角相似常數，Aφ=φp/φm；AE為彈性模量相似常數，AE=Ep/Em；AC為內凝聚力相似常數，AC=Cp/Cm。

基于大柳塔煤礦活雞兔井實際地質條件，為了保證實驗模型具有一定的剛度和穩定性，本文采用二維平面模擬試驗臺3.2m×2.5m×0.25m(長×高×寬)來鋪砌模型。并綜合考慮實驗模型尺寸和其他影響因素，確定相似常數為Al=100，Aγ=1.61，則其他相似常數見式(2)：

2.2 相似材料配比方案

實驗模型以活雞兔井煤巖力學參數為基礎，綜合考慮模型穩定性和巷道原始巖層的節理、層理和弱面等因素，設計鋪設實驗模型高113cm，1-2煤上下分層厚度分別為4.5cm和5.85cm，在下分層中開采3.5cm、放煤2.35cm。選取骨料為河砂和石英砂，膠結物為碳酸鈣和石膏，并以云母為分層材料，按照一定比例進行配比鋪設模型，配比情況見表1。

表1 模型相似材料配比情況表

3 實驗結果及分析

3.1 監測方案

為了全面監測開挖后相似模型巖層運動規律，擬定了實驗監測方案和內容：①使用SONY數字高清攝像機觀察上覆巖層的走向；②以10cm為間隔將測點布設在模型關鍵的巖層表面，并利用PENTAXR-322NX全站儀觀測位移數據；③根據拍攝實驗現象照片和實際測量等方法，測定基本頂初步來壓和周期來壓步距；④測量裂隙帶的發育范圍及與地表導通情況；⑤將應變片(電阻120±0.1Ω、靈敏系數2.08±1%)以10cm間隔埋入煤層底板的砂質泥巖中，利用DH3816實時監測模型圍巖的應力變化；⑥使用高精度百分表監測每次來壓后地表下沉情況，每隔15cm布置一個百分表，共布置18個測點，監測方案布置如圖3所示。

圖3 監測方案布置

3.2 監測結果分析

3.2.1 1-2煤上分層綜采

1-2煤上分層大采高開切眼尺寸為8cm，開采共推進42次，每次向前推進5cm，共推進長度210cm，在開采過程中共有13次周期來壓，平均步距12.46m，初次來壓步距轉換成現場實際長度為45m。第一次工作面向前推進5cm時，圍巖無明顯變形；當工作面向前第四次推進至20cm時，第一層直接頂離層變形較大；當推進至27cm時，第一層直接頂開始冒落，第二、三層直接頂均分別出現不同程度的離層情況。在1-2煤層上分層回采后，老頂已經周期性回轉垮落，并形成相對穩定的結構，但由于巖性未固結，冒落的巖體不能形成再生頂板。

3.2.2 1-2煤下分層綜放開采

1-2煤下分層綜放開采相似模擬實驗情況如圖4所示。工作面共推進38次，在總開采長度前130cm中，以速度5cm/次向前推進，總開采長度后130cm中，以速度8cm /次向前推進。開采過程中，共出現22次周期來壓，轉化為現場的平均步距6.68m，初次來壓步距轉換成現場實際長度為47m。開切眼設計尺寸為8cm，布置在煤柱中，致使上下分層初次來壓步距相近。在第七次推進過程中，推進至32cm時，工作面后方煤體開始斷裂，此時放煤厚度30cm，且冒落塊體較大；第十次推進至47cm時，老頂初次來壓，當至50cm時，直接頂垮落，老頂開始下沉，“砌體梁”結構出現變形失穩；第十九次推進至93cm時，老頂開始衍生大面積裂隙，至100cm時，老頂斷裂，垮落高度28cm，離層冒落高度84cm。

圖4 1-2煤下分層綜放開采相似模擬實驗

在1-2煤下分層開采中，由于二次開采對頂板穩定性產生一定影響，致使頂板和地表出現一定程度的破碎和下沉，礦壓重新分布并逐漸趨于穩定。DH3816靜動態電阻應變儀監測應力變化情況如圖5所示，由圖5可知，在開采至距模型左邊界橫向距離小于50cm時，支承壓力在10kPa以下且基本保持不變；當模型橫向距離在50～70cm時，支承壓力急劇增大，達到峰值后開始下降；在70～100cm距離時，支承壓力急劇降低；在100～250cm距離時，支承壓力變形下降趨勢緩慢。下分層支架上方的頂煤厚約2.0m，且上分層給予的支承壓力以靜壓為主，則下分層礦壓值屬于正常范圍。

圖6 下分層開采地表下沉變化曲線

根據百分表記錄數據繪制了下分層開采地表下沉變化曲線，如圖6所示，由圖6可知，隨著周期來壓次數增加，地表橫向和縱向沉降波及范圍相應縮小，在第14次周期來壓后，地表最大下沉量幾乎不變，約30cm，且第18至22次周期來壓后，地表下沉橫向波及范圍僅為50cm，變形量明顯縮小。同時上分層底板受到一定程度的破壞和支架的碾壓，在下分層開采時，放頂煤效果極佳，且尺寸適宜，因此1-2煤下分層適合應用綜放開采方式。

4 結 語

大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤復合區開采困難，活雞兔井提出上下分層分別實施綜采和綜放開采。為了驗證該開采方案的可行性，在實驗室進行了相似模擬實驗，以河砂和石英砂為骨料、碳酸鈣和石膏為膠結物、云母為分層材料，并根據相似理論，確定幾何相似比100，容重相似比1.61，時間相似比10，應力、彈性模量和內聚力相似比161，以及泊松比和內摩擦角相似比1。通過開采后模型的變形和圍巖應力變化的監測數據可知，在下分層實行綜放開采時，地表最大下沉量為30cm，且綜放工作面壓力逐漸平緩，在上層底板受到一定破壞后，致使下分層放頂煤效果極佳，且塊體尺寸適宜，并驗證了該開采方法的可行性。