某礦綜放工作面采場覆巖破壞相似材料模擬研究

馮偉棟

(汾西礦業(yè)集團賀西煤礦)

1 工程概況

某礦井3下01綜采放頂煤工作面采用偽傾斜長壁后退式綜采放頂煤法生產(chǎn)，北部臨近井田邊界，南部尚未開采，東部臨近北徐樓斷層，西側(cè)臨近F1斷層。該工作面平均寬約87 m，走向長約788 m，工作面總面積約73 205 m2，煤層標(biāo)高-720.7～-889.2 m。該工作面地面標(biāo)高34.3～35.5 m，地面無建筑物，均為農(nóng)田，對工作面回采無較大影響。

2 相似材料模型構(gòu)建

本研究根據(jù)3下01綜放工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，對采場覆巖運動特征及各分帶的發(fā)育規(guī)律進行研究[1-2]。該工作面開采模擬試驗臺規(guī)格為1.9 m×0.22 m×2 m(長×寬×高)。本研究相似材料模擬試驗采用多種測試手段，布置了足夠密集的上覆巖層變形、破壞的觀測網(wǎng)格和測點，對模型開采過程中上覆巖層的各種變形和破壞形式進行全面、系統(tǒng)地觀測和實時記錄，并進行歸納分析[3-6]。模型每次開采6 cm，平均每天開采3～4個循環(huán)，共開采24個循環(huán)。走向開采150 cm(120 m)，模型開切眼一側(cè)留20 cm(16 m)煤柱，開采至另一側(cè)距邊界20 cm(16 m)處停采。

3 相似材料試驗結(jié)果分析

3.1 覆巖破壞規(guī)律分析

當(dāng)模型開挖20 cm，相當(dāng)于實際工作面推進16 m(未考慮開切眼影響)時，工作面頂煤開始垮落，直接頂發(fā)生了輕微的離層。當(dāng)模型開挖到33 cm，相當(dāng)于工作面推進26.4 m時，隨著巖梁跨距的增加，煤層上分層(M上分層)與直接頂(J-1)粉砂巖之間開始出現(xiàn)大的離層并隨即垮落。直接頂(J-1)粉砂巖與老頂(J-2)中粒砂巖之間開采出現(xiàn)大的離層，離層情況如圖1所示。當(dāng)模型開挖到63 cm，相當(dāng)于實際工作面推進到50.4 m時，7 m厚煤層上分層、2 m厚粉砂巖、11.8 m厚中粒砂巖等3個分層發(fā)生了初次垮落，形成了老頂初次來壓，老頂初次垮落步距為50 m。當(dāng)模型開挖到93 cm，相當(dāng)于實際工作面推進到74.4 m時，7 m厚煤層上分層、2 m厚砂質(zhì)頁巖和11.8 m厚細(xì)砂巖作為老頂發(fā)生了第1次周期垮落，周期垮落步距為 24 m。同時，隨著采空區(qū)懸空面積增大，在頂部礦山壓力的作用下，J-2 中粒砂巖的上分層和J-3礫巖全部垮落，在采空區(qū)形成了鉸接形態(tài)。當(dāng)模型開挖到123 cm，相當(dāng)于實際工作面推進到98.4 m時，老頂發(fā)生了第2次周期垮落，周期垮落步距為24 m。當(dāng)工作面推進到135 cm時，相當(dāng)于實際工作面推進到108 m時，第一巖梁中粒砂巖、第二巖梁礫巖已經(jīng)全部垮落，以3.8 m厚粉砂巖、2 m厚粉礫巖、53 m厚粉砂巖組成的第三巖梁下位巖層發(fā)生垮落，上位巖層出現(xiàn)了嚴(yán)重離層。試驗表明：直接頂初次垮落步距約26 m，老頂初次垮落步距約50 m，周期垮落步距約24 m，共經(jīng)歷了2次周期來壓。模型由右至左推進到141 cm時，整個上覆巖層正面推進運動情況如圖2所示。

綜合分析覆巖破壞規(guī)律可知：①上覆巖層破壞首先是從開挖空間的端部開始，破壞形式主要為拉剪破壞，斷裂線與巖層軸線呈65°夾角；②隨著工作面不斷向前推移，工作面上方覆巖層出現(xiàn)離層繼而發(fā)生斷裂，離層情況主要由覆巖尺寸及強度決定，幾組巖層同時下沉，或者個別較厚堅硬巖層撐起了上覆巖層，并在工作面推進長度不斷加大的情況下出現(xiàn)了鉸接斷裂結(jié)構(gòu)；③隨著工作面繼續(xù)推進，冒落帶高度不再發(fā)展，裂縫帶與離層帶高度繼續(xù)隨著破壞拱的擴展而增大，當(dāng)工作面推到一定位置以后，上覆巖層的破斷高度不再繼續(xù)增大；④巖體內(nèi)部移動由下向上成組運動，當(dāng)頂煤發(fā)生冒落時，上覆巖層有足夠的運動空間，上覆巖層與之發(fā)生同步運動，并在直接頂與老頂之間出現(xiàn)離層，當(dāng)老頂發(fā)生斷裂時，其所控制的上覆巖層也與之發(fā)生同步破斷運動，將導(dǎo)致上覆直至地表的所有巖層發(fā)生同步破斷下沉。

圖1 直接頂老頂離層情況圖2 巖層最終運動狀態(tài)

3.2 應(yīng)力位移特征分析

由圖3、圖4可知：圍巖中水平應(yīng)力隨著采動影響的加劇而逐漸增大，在彈性及塑性階段，靠近煤壁的位置出現(xiàn)了一定范圍的水平拉應(yīng)力區(qū)；塑性區(qū)的水平應(yīng)力并非隨著深度的增加而增加，而是呈現(xiàn)一定的波動性，是由于垂直應(yīng)力引起的水平膨脹變形的非均勻性所致，垂直應(yīng)力峰值點不在煤壁表面，而是在距煤壁6～10 m范圍內(nèi)。

圖3 超前采場水平應(yīng)力分布曲線

圖4 超前采場垂直應(yīng)力分布曲線

由圖5、圖6可知：當(dāng)采場頂板巖層處于彈性及彈塑性變形階段時，靠近采場的位置存在一定范圍的垂直拉應(yīng)力區(qū)，采場頂板中水平應(yīng)力最大值不出現(xiàn)在煤壁位置；圍巖進入松動區(qū)后，頂板巖層形成了自然冒落拱，該范圍內(nèi)巖層中的應(yīng)力得到釋放。

圖5 采場頂板垂直應(yīng)力分布曲線

圖6 采場頂板水平應(yīng)力分布曲線

由圖7可知：圍巖發(fā)生破壞之前位移量較小，載荷集度達(dá)到約8 MPa時，頂板發(fā)生破裂，破裂面為拱形，高度約為1.2 m；載荷集度達(dá)到約12 MPa時，同時頂板產(chǎn)生了新的拱形破裂面，高度約1.9 m，再次形成一個整體拱形破裂面，并且拱形破裂面以下的頂板巖體發(fā)生了冒落。

圖7 頂板位移曲線

4 結(jié) 語

對某礦3下01綜采放頂煤工作面的開采過程進行了相似材料模擬，分析了覆巖各巖層的運動規(guī)律，分析結(jié)果可供該工作面放頂煤安全開采參考。