大采高綜采面堅硬頂板破斷特征相似模擬研究

魏 磊

(山西煤炭運銷集團 神農煤業有限公司，山西 高平 048400)

長期以來，煤炭一直是我國的主體消費能源，雖然國家大力推行能源結構轉型，但是短期內，煤炭的主體消費能源地位不會改變，隨著科學技術的不斷進步，煤礦采掘設備與開采技術不斷發展，綜合機械化采煤工藝開始興起，由于其具有良好的安全性能、快速的開采進度以及較高的可靠性，目前已經廣泛應用于我國大、中、小煤礦開采[1-2]。雖然綜采工藝已廣泛應用，當煤層頂板賦存堅硬巖層時，由于綜采工藝其推采速度較快，短時間形成大范圍的空頂，當堅硬頂板巖層突然破斷，極易造成工作面形成沖擊氣壓，造成工作面災害性事故的發生，尤其當采高較大時，該類隱患更為突出[3-5]。神農煤業15102工作面開采15號煤層，煤層頂板賦存堅硬巖層K2灰巖，厚度6.5～7.5 m，深灰色、厚層狀，沉積穩定，層理結構，在鄰近工作面開采時，頂板巖層周期來壓強度較大，造成了工作面出現壓架現象，表明了支架選型和開采工藝不合理，直接影響到工作面的安全高效開采。為此，本文以該工作面為工程背景，采用相似模擬的方法，研究神農煤業大采高綜采面覆巖破斷特征，為工作面開采工藝和支架選型提供參考，可指導堅硬頂板下煤炭資源的安全高效回采，具有一定的指導意義。

1 工程背景

神農煤業15102工作面位于井田一采區南部，工作面開采15號煤層，地面標高+1 006～+1 066 m，工作面位于一采區南部，北部為15101綜采工作面；南部未開采；東面80 m為F1斷層；南部為實體煤；西部依次為一采區軌道大巷、一采區膠帶大巷、一采區回風大巷，煤層結構簡單，煤厚相對穩定，局部含一層夾矸，平均煤厚為4 m，煤層傾角+2°～-6°，老頂為K2灰巖，厚度6.5～7.5 m，深灰色、厚層狀，沉積穩定，層理結構，局部裂隙較發育，厚度變化不大，直接頂為泥質灰巖，厚度0.6～0.8 m，黑灰色，層狀結構，沉積穩定，含少量植物化石，質地堅硬；直接底為泥巖、粉砂質泥巖，厚度0.1～0.3 m，灰黑色，層理結構，質地較松軟，老底為砂質泥巖、粉砂巖，厚度3.35～10.28 m，含少量黃鐵礦結核，質地較松軟。

2 大采高綜采面覆巖破斷特征

為研究大采高堅硬頂板破斷特征，基于工作面生產地質條件，采用相似模擬的方法，建立大采高堅硬頂板開采模型。相似模擬實驗中，自左側20 cm處開始做切眼，圖1中(a)～(j)分別給出了推采35 cm、45 cm、50 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm、110 cm和120 cm時，對應的工作面頂板覆巖破斷特征。

隨著工作面的不斷推采，采空區頂板巖層懸露跨距逐漸增加，覆巖載荷開始作用至頂板巖層，當其達到巖層自身承載極限時，頂板巖層出現初次破斷，基本頂及其上覆巖層出現下沉現象。由圖1可知，基本頂巖層初次破斷發生在工作面推采30 cm時，初次垮落步距25 cm，垮落帶高度3.1 m，是采高的0.7～0.8倍，隨著工作面的不斷推移，基本頂巖層開始出現周期性垮落破斷，即周期來壓現象，當工作面推采至40 cm時，工作面基本頂巖層出現整體破斷現象，上覆巖層出現離層現象。此時，頂板垮落大高度約為4.3 cm，工作面推采至50 cm時，采空區頂板巖層大范圍破斷，基本頂垮落長度近60 cm，垮落高度近10 cm，是采高的2.4～2.5倍，此時工作面處巖層垮落角為59°，切眼處垮落角為52°。

圖1 不同推采進尺對應的頂板覆巖破斷特征

當工作面繼續推采至60 cm時，采空區覆巖再次出現破斷現象，頂板巖層離層加劇，出現縱橫向破斷裂隙。同時，工作面后方覆巖出現斜切垮落，表明上覆巖層失穩破斷，向下傳遞覆巖應力，造成區域應力集中現象，此時上覆巖層垮落長度大30.1 cm，垮落高度為18.1 cm，是采高的4.4～4.5倍，頂板堅硬巖層絕大部分已垮落破斷，工作面處覆巖垮落角約為54°。

當工作面繼續推采70 cm時，工作面上覆巖層整體性出現大面積破斷下沉，此時上覆巖層垮落高度大31.3 cm，是采高的7.8～7.9倍，上覆巖層離層區范圍大大增加，裂隙長度增加至30.0 cm，并在持續向上發育，由于上覆巖層的整體性垮落破斷，壓密閉合了低位巖層離層裂隙，工作面處覆巖垮落角約為61°。

當工作面繼續推采80 cm時，工作面高位覆巖出現大范圍變形破壞，構成彎曲下沉帶，同時離層裂隙繼續發育，裂隙發育長度達32.0 cm，其延伸范圍同步增加，工作面后方垮落巖塊開始逐漸充實采空區，后方采空區低位覆巖逐漸區域平衡，此時，采空區覆巖垮落高度為44.2 cm，是采高的11.0～11.5倍，工作面處覆巖垮落角約為62°。

當工作面繼續推采90 cm時，工作面后方垮落巖塊充實采空區，垮落帶及低位裂隙帶巖層層間裂隙逐漸閉合，但其高位覆巖出現層狀垮落，橫向裂隙發育長度達30 cm，頂板巖層周期性垮落。此時，采空區覆巖垮落高度為48.9 cm，是采高的12.0～12.5倍，工作面處覆巖垮落角約為62°。

當工作面繼續推采100 cm時，高位覆巖層間裂隙繼續發育，橫向裂隙發育長度達42.7 cm，裂隙離層間距大2.3 cm，并繼續向上發育，低位覆巖層間裂隙閉合，堅硬基本頂已完全垮落，采空區逐漸壓密充實。

當工作面繼續推采110 cm時，高位覆巖裂隙充分發育，出現大范圍彎曲下沉，此時，采空區覆巖處于“穩定-失穩-再穩定”的形態。當工作面繼續推采120 cm時，工作面推采結束，覆巖應力充分傳遞至頂板巖層，整體巖層垮落形態近似對稱分布，在工作面端頭形成傳遞巖梁結構。

綜上所述，在大采高綜采面覆巖破斷特征研究中，頂板巖層初次破斷后，基本頂及其上覆巖層出現下沉現象，低位巖層逐漸出現離層，頂板巖層初次破斷長度為25 cm，周期來壓步距為 10～15 cm，工作面推采結束后，采空區巖層垮落形態近似對稱分布，在工作面端頭形成傳遞巖梁結構，即在工作面端頭形成支承應力，一定程度上造成端頭應力集中現象明顯，應注意加強礦壓觀測和端頭支架的選型。

3 結 語

大采高綜采面推采速度快，易造成采空區堅硬頂板大面積垮落、覆巖活動劇烈。研究表明，隨著工作面的不斷推采，覆巖載荷開始作用至頂板巖層，頂板巖層初次破斷后，基本頂及其上覆巖層出現下沉現象，低位巖層逐漸出現離層，隨著推采距離的增加，垮落巖塊充實采空區，低位巖層層間裂隙逐漸閉合，高位覆巖出現離層現象，并產生層狀垮落，采空區覆巖始終處于“穩定-失穩-再穩定”的形態，工作面推采結束后，采空區巖層垮落形態近似對稱分布，在工作面端頭形成傳遞巖梁結構，研究成果為神農煤業15102工作面開采工藝和支架選型提供參考。