成莊煤礦4311綜放工作面礦壓顯現規律及覆巖垮落特征

楊昌永，張 沛，杜君武，郝春生

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 太原 030000；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭資源在中國能源戰略中占據主導地位，近年來，隨著開采工藝、開采設備及支架-圍巖耦合支護理論的提升，開采規模和年產量在不斷增加[1]。超大采高綜放開采已初步實現了安全高效、高回收率開采，對于綜放開采，不同地質條件和開采條件的綜放工作面，其礦壓顯現規律和覆巖垮落特征存在較大差異。厚煤層放頂煤開采，由于采高大，工作面來壓和覆巖運動劇烈。綜放工作面直接頂厚度和巖性影響著垮落后的碎脹程度，進而影響后方采空區的充填程度和上覆巖層運動破斷運動形式和結構形態[2-6]。根據現場實踐，綜放工作面頂板初次垮落和周期垮落規律的預判，對工作面安全高效生產至關重要，同時液壓支架與圍巖相互作用關系，也影響著綜放工作面的安全生產[7-12]。掌握綜放工作面覆巖垮落特征、“三帶”發育高度和礦壓顯現規律，對指導綜放采煤工作面安全開采具有重要意義。在保證安全生產的前提下，選擇合理的支架工作阻力不僅能夠保證安全生產，而且能夠降低生產成本[13-19]?？梢姡C放工作面礦壓顯現規律和覆巖運移規律是巖層控制關注的熱點。

以成莊煤礦4311綜放工作面為研究背景，采用物理模擬實驗，研究成莊煤礦4311綜放工作面覆巖垮落特征、圍巖應力分布規律、覆巖“三帶”發育特征和支架載荷分布規律，揭示了成莊煤礦4311綜放工作面礦壓顯現規律及覆巖垮落規律，對工作面頂板控制和來壓監測預報提供科學依據，為成莊煤礦3#煤層安全高效開采提供了理論依據。

1 工程背景

成莊煤礦4311工作面位于四盤區，開采3#煤層，煤層厚度平均6.3 m，傾角3°，平均埋深480 m。工作面走向長度1 318 m，傾向長度210 m，采用綜合機械化低位放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，采高3 m，放煤厚度3.3 m，兩端頭各留6 m長距離不放頂煤，采用正規循環作業，每日進度8個循環，日推進6.4 m。3#煤層為條帶狀結構，似金屬光澤，煤層普氏系數f=2～4，屬中硬煤層，直接頂為泥巖，厚度2.45 m，黑色，層理發育，植物化石豐富；基本頂為砂質泥巖，厚度10.1 m，局部含少量砂巖，水平層理發育；直接底和老底為砂質泥巖，總厚度11.5 m。4311工作面采用三巷布置，其中43111巷為軌道巷兼主進風巷，43113巷為膠帶輸送機巷，43112巷為回風巷，43112巷和43113巷之間留設45 m煤柱。工作面采用“兩進一回”Y型通風方式，工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 4311工作面巷道布置示意

2 綜放工作面覆巖垮落特征物理模擬

2.1 模型設計

以成莊煤礦4311綜放工作面地質條件為原型，采用物理相似模擬，研究4311綜放工作面覆巖垮落特征。選用3.0 m平面應力模型架，確定模型的幾何相似比為1∶150，模型尺寸3.0 m×1.43 m×0.2 m。剩余上覆巖層和土層載荷用鐵磚加載配重。煤巖體力學參數見表1。

表1 煤巖體力學參數

按照相似理論，結合煤巖力學參數，選用河沙作骨料，石膏、大白粉作膠結材料，云母粉模擬巖層節理裂隙。按照物理相似準則，計算各個巖層的相似配比，物理模擬實驗模型如圖2所示。

圖2 物理相似模擬模型

模型表面共布置5條巖移測線，分別位于頂板上方15，45，75，105，135 m處，采用全站儀監測開挖過程中巖移規律。底板鋪裝應力傳感器，監測采動過程中的應力變化，通過模擬支架監測采動過程中的工作面頂板壓力，開挖過程中為消除邊界效應，模型左右邊界各留設70 m邊界煤柱。

2.2 覆巖垮落規律

2.2.1 直接頂垮落

當工作面推進至45 m時，直接頂上方出現微小離層裂隙，開切眼處和工作面煤壁處出現上行裂隙。工作面推進至46.5 m時，直接頂板離層加大，煤壁處和切眼處出現上行裂隙進一步擴大。隨后，直接頂大面積垮落，垮落巖塊未形成規則鉸接結構，呈碎塊散落在采空區，此時頂板垮落為直接頂初次垮落。直接頂初次垮落高度為3 m，離層裂隙發育到煤層頂板上方5.6 m處。直接頂垮落過程如圖3所示。

圖3 直接頂垮落過程

2.2.2 老頂的初次垮落

工作面推進至49.5 m時，直接頂巖梁在老頂載荷和自重作用下發生彎曲下沉并產生離層裂隙。工作面繼續推進，離層裂隙不斷向上發育，推進至58.5 m，老頂巖層彎曲下沉，由于頂板巖塊端部擠碎使老頂產生回轉失穩，在兩端產生拉裂隙，但破斷裂隙未貫穿整個巖層，此時對應于老頂的初次破斷，初次垮落步距58.5 m。老頂初次垮落時，采空區上方頂板裂隙帶發育高度16 m，離層巖梁寬度37.5 m。覆巖在切眼處的垮落角為61°，在煤壁處為59°，老頂的初次垮落形態如圖4所示。

圖4 老頂初次垮落過程

2.2.3 頂板周期性垮落規律

1)第1次周期垮落。工作面推進72.5 m時，老頂第1次周期垮落，垮落步距14 m，頂板裂隙帶高度25.2 m，離層寬度35.7 m，離層間距1.5 m?？拷醒厶庬敯咫x層裂隙尚未閉合，頂板巖層形成較明顯的“砌體梁”鉸接結構，如圖5所示。

圖5 老頂第1次周期垮落結構形態

2)第2次周期垮落。隨著煤層不斷被開挖，上覆巖層離層裂隙不斷向上發育，當工作面推進90 m時，老頂第2次周期垮落，垮落步距17.5 m，裂隙帶高度29 m，離層寬度43.5 m，離層間距1.3 m，直接頂下位巖層產生明顯的豎向裂隙，未形成鉸接結構，直接頂垮落充分。總體上，下部巖層先垮落，上方巖層滯后垮落，如圖6所示。

圖6 老頂第2次周期垮落結構形態

3)第3，4次周期垮落。工作面推進到104.5 m時，覆巖離層裂隙進一步向上發育，原有離層裂隙隨著上方巖層的回轉變形，逐漸趨于閉合，裂隙帶高度發育至煤層上方45 m處，老頂第3次周期垮落，垮落步距14.5 m，此次垮落強度不大，如圖7所示。推進到118.5 m時，覆巖離層裂隙進一步向上發育，采空區中部原有離層裂隙隨著上方巖層的回轉變形，逐漸趨于閉合。切眼處的上行裂隙和離層裂隙進一步減小，但煤壁上方的離層裂隙變大，上行裂隙隨著后方老頂巖梁的回轉變形，不斷向上發育，覆巖裂隙帶高度發育至煤層上方55.5 m處，離層巖梁寬度51 m，離層間距1.0 m，第4次周期垮落，垮落步距14 m，頂板結構如圖8所示。

圖7 老頂第3次周期垮落結構形態

圖8 老頂第4次周期垮落結構形態

推進到222 m時，達到充分采動，裂隙帶發育最大高度169 m。工作面開采過程中，覆巖層呈周期性垮落。物理模擬開采結束后，得到了12次頂板周期垮落特征和裂隙發育高度，4311綜放工作面，初次來壓步距58.5 m，周期來壓步距一般為11.5～27 m，平均18 m。覆巖垮落規律及礦壓顯現特征見表2。

表2 覆巖垮落規律及礦壓顯現特征

2.3 覆巖裂隙發育規律

開挖結束后，裂隙帶發育高度最大169 m。模擬最大采高6.45 m，最大裂采比26.20。裂隙帶高度與工作面推進關系如圖9所示。

從圖9可知，工作面推進到104 m時，覆巖裂隙帶高度一般為垮落帶高度的1.5倍左右。工作面推進到110 m，覆巖垮落帶高度維持在48 m左右，推進到120 m左右時，覆巖裂隙帶發育迅速。當工作面推進到222 m，覆巖裂隙帶發育充分，達到充分采動，裂隙帶隨著工作面的推進，基本保持169 m左右，此時覆巖裂隙帶高度一般為垮落帶高度的3.5倍。

圖9 覆巖裂隙帶高度與工作面推進關系

3 工作面礦壓顯現及覆巖運動規律

3.1 工作面來壓規律

根據物理模擬過程中覆巖垮落形態，應用無線應力傳感器監測工作面推進過程中支架載荷情況，得到不同工作面推進距離的受力情況。工作面開采礦壓顯現規律如圖10所示。

圖10 工作面開采礦壓顯現規律

當工作面推進到46.5 m時，直接頂初次垮落，支架壓力不大，為2 814 kN，老頂初次垮落時，支架壓力明顯上升，支架載荷3 602 kN，來壓劇烈，頂板垮落充分。老頂第1次周期來壓，支架載荷為3 192 kN；第2次周期來壓，支架載荷為3 644 kN；第4次周期來壓，支架載荷為3 696 kN，此次周期來壓劇烈，老頂第7次周期來壓強度4 115 kN/架，此次來壓最為強烈，覆巖垮落劇烈，上覆巖層離層裂隙加大，上行裂隙發育充分。

從圖10可得，開采過程中，上覆巖層來壓時支架載荷一般大于3 500 kN/架，最大可達4 115 kN/架?，F場實踐中，為保證安全生產，工作面支架應該有15%～20%的富余量，因此安全的支架選型應該為4 732～4 938 kN。4311綜放工作面采用ZZPE4800/17/33型放頂煤支架，支架工作阻力4 800 kN，安全閥開啟率為5%，沒有出現壓架等現象。

3.2 覆巖運移規律

3.2.1 覆巖移動規律

對布置在模型表面5個層位(煤層頂板上方15，45，75，105，135 m)上的測點用全站儀記錄覆巖垂直位移。在開挖過程中，對每次頂板周期垮落后對各個測線的測點位移變化量進行觀測，得到不同層位覆巖垂直位移變化規律如圖11所示。

圖11 不同層位覆巖垂直位移變化規律

從圖11可以得出：

1)15 m層位頂板最大下沉值位于工作面推進到140 m位置，最大下沉為5.9 m。從距離開切眼到停采線前50 m處的頂板全部位移垮落帶內，位于垮落帶的頂板范圍為210 m左右。采空區中部的下沉值大，頂板表現為同步下沉，不均勻下沉系數小?？拷醒厶幒屯２删€處的頂板下沉量小，但頂板不均勻下沉系數大。

2)45 m層位頂板最大下沉值位于工作面中部，最大下沉值為4.9，200 m范圍內的頂板位于覆巖垮落帶。采空區中部150 m范圍內頂板下沉值基本在4.0～4.9 m。

3)75 m層位頂板最大下沉值為3.7，180 m范圍左右的頂板位下沉值在3.1～3.7 m，不均勻下沉系數為0.16。采空區上方覆巖頂板同步下沉盆地范圍較15 m和45 m層位小。

4)105 m層位頂板下沉值最大為2.8 m，150 m左右的頂板下沉量在2.4～2.8 m，采空區中部下沉盆地整體下沉量較小，不均勻下沉系數為0.14。靠近煤壁處的不均勻下沉系數為0.53，靠近停采線位置的覆巖不均勻沉降系數為0.78。

5)135 m層位頂板下沉量最大為2.2 m，100 m左右的頂板下沉量在2.1～2.2 m，共同下沉盆地內覆巖的不均勻下沉系數為0.05，整體表現為均勻沉降，此時的位于采空區內部的上覆巖層離層裂隙趨于閉合，切眼處和停采線處的上行裂隙和離層裂隙減小。

6)采空區煤層頂板下位巖層下沉盆地的下沉量大于上位巖層的下沉量，隨著覆巖與煤層頂板的距離增大，頂板受采動影響程度逐漸減小。

7)靠近切眼處的覆巖不均勻下沉系數一般為0.45～0.56，靠近停采線處的覆巖不均勻下沉系數一般為0.67～0.78，覆巖下沉盆地內的不均勻系數一般為0.05～0.12。

8)由于巖體具有碎脹性，上覆巖層受采動影響，巖體碎脹性不斷疊加，導致覆巖上方的離層裂隙隨著工作面推進不斷減小或閉合。下位巖層受采動影響的程度大于上位巖層，下位巖層裂隙發育，垮落充分，下位巖層的離層巖梁跨度和離層間距大于上位巖層。

3.2.2 覆巖“三帶”分布特征

4311工作面開采結束后，上覆巖層呈現明顯的“三帶”分布規律，根據模擬實驗觀測數據，覆巖垮落帶高度最大發育至48 m左右，覆巖裂隙帶高度發育至169 m左右，煤層頂板169 m以上為彎曲下沉帶，覆巖裂隙帶高度一般為垮落帶高度的3.5倍左右，3#煤層開采最大裂采比為26.20，覆巖“三帶”分布特征如圖12所示。

圖12 覆巖“三帶”分布特征

4 結 論

1)4311工作面初次來壓步距58.5 m，周期來壓步距11.5～27 m，平均18 m。來壓時支架載荷一般大于3 500 kN/架，最大4 115 kN/架。現場實踐中，為保證安全生產，考慮支架15%～20%的富余量，支架選型4 732～4 938 kN。

2)采空區頂板下位巖層下沉盆地的下沉量大于上位巖層的下沉量，隨著覆巖與煤層頂板的距離增大，頂板受采動影響程度逐漸減小?？拷醒厶幒兔罕谔幍母矌r上行裂隙和離層裂隙發育充分，采空區下沉盆地內的離層裂隙基本閉合。

3)4311工作面開采后，覆巖呈現明顯“三帶”分布規律，覆巖垮落帶高度最大48 m，裂隙帶高度169 m，煤層頂板169 m以上為彎曲下沉帶。工作面充分采動后，裂隙帶發育趨于穩定，達到169 m，最大裂采比26.20。