急傾斜特厚煤層采場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)相似模擬實驗分析

申曉東

（西山煤電（集團）有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

45°特厚煤層開采過程中，采場煤巖體在頂板巖層與松散體的相互作用下，容易形成某種結(jié)構(gòu)，從而對采空區(qū)上覆巖層與松散體起到一定的支撐作用，且該類結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)，對采場強礦壓致災(zāi)形式與強度有直接的影響[1-2]。因此，本文應(yīng)用相似模擬實驗與理論分析的方法，對采場結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特征與能量變化規(guī)律以及致災(zāi)特征進行分析[3-4]。

1 相似模擬理論及模型設(shè)計

1）工作面地質(zhì)賦存特征。某煤礦北采區(qū)位于八道灣向斜北翼，地層走向北東67°，傾向南東157°，西陡東緩，采區(qū)地面平均標(biāo)高為+790 m。目前采區(qū)主采煤層為43號和45號煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均厚度分別約為 41.3 m、30.6 m，傾角 43°～51°。43 號煤層與45號煤層間巖柱為堅硬的粉砂巖（f=3.5～4），平均厚度約為102 m。老頂與直接頂及底板均為粉砂巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，直接頂厚度為3～5 m。煤層上部受原鐵廠溝煤礦與已廢棄小煤窯不同程度的采動影響。其中，原鐵廠溝煤礦45號煤層已開采至+707 m水平，43號煤層開采至+726 m水平，開采深度為70～90 m，其他廢棄小煤窯的開采垂深為67～125 m。

45號煤層直接頂主要為粉砂巖，厚度3～5 m。煤層底板主要為炭質(zhì)泥巖。

2）工作面布置特征。由于45°特厚煤層特殊的地質(zhì)賦存特征，導(dǎo)致其很難應(yīng)用水平煤層的工作面布置方式。

2 采場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程及結(jié)果分析

2.1 采場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征

1）第一分段開采過程中覆巖破壞特征分析。第一分段采取隨采隨放的開采方式，沿煤層走向推進。當(dāng)工作面推進至2～3 cm時，頂板巖層靠近工作面位置形成多條縱向、橫向裂隙；隨著工作面的推進裂隙發(fā)育程度升高，當(dāng)工作面推進至4～5 cm時，頂板巖層在沿走向0～3.6 cm，傾向2.6～9.4 cm的范圍內(nèi)發(fā)生垮落現(xiàn)象，垮落高度為沿煤層法向1.2 cm；此后，偽頂巖層隨工作面的推進，沿煤層傾向與法向的垮落范圍不斷擴大，而沿煤層法向的垮落高度變化較小。當(dāng)工作面推進至7.0～8.3 cm時，直接頂巖層在沿煤層傾向4.8～10.1 cm，沿煤層走向0～3.6 cm的范圍內(nèi)發(fā)生垮落，垮落高度為沿煤層法向2.3 cm；當(dāng)工作面推進至10.8～11.4 cm時，偽頂巖層沿傾向垮落高度擴展至工作面上邊界；當(dāng)工作面推進至13.5～14.1 cm時，部分直接頂巖層沿傾向垮落高度也擴展至工作面上邊界；隨工作面的繼續(xù)推進，頂板巖層垮落范圍擴展速度加劇，工作面推進至17.6～18.7 cm時圍巖發(fā)生大面積垮落，局部頂板巖層沿煤層法向的垮落高度達3.6～14.0 cm，部分圍巖裂隙已擴展至模型上邊界，已垮落的直接頂巖層與采空區(qū)內(nèi)的松散體相互鉸接形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述對工作面推進過程中，采場覆巖運移特征描述可知：在第一分段開采過程中，覆巖未發(fā)生大范圍垮落，且與上覆松散體形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，表明此時采場煤巖體裂隙發(fā)育程度較差，處于蓄能階段。

2）第二分段開采過程中覆巖破壞失穩(wěn)特征分析。開采初期第二分段工作面圍巖相對穩(wěn)定，工作面煤體未出現(xiàn)明顯裂隙發(fā)育情況，頂煤亦無明顯下沉現(xiàn)象，此時工作面頂板處于彈性可恢復(fù)階段。隨著工作面繼續(xù)推進到8.4 cm時，由于頂煤的不斷放出，為殘留煤體及采空區(qū)內(nèi)松散體向下運移提供了運移空間，使頂板巖層受到的支撐應(yīng)力減小，工作面頂板裂隙擴展速加快，甚至局部開始發(fā)生下沉，且隨著時間的推移，下沉量進一步增大，此時工作面頂板處于塑性階段。隨著第二分段的開采，第一分段采空區(qū)處的那條裂隙由于承受的載荷繼續(xù)增加，裂隙繼續(xù)發(fā)育擴張到基本接近至地表處，隨著第二分段的繼續(xù)開采那條裂隙帶貫穿至地表導(dǎo)致沿裂隙帶右側(cè)巖層整體垮落，老頂垮落時的能量釋放才導(dǎo)致了動力災(zāi)害的發(fā)生。

圖1 第一分段開采前后覆巖賦存特征

圖2 第二分段開采過程中覆巖賦存特征

2.2 聲發(fā)射特征

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析時，根據(jù)模型開采過程中出現(xiàn)各現(xiàn)象（垮落、宏觀裂隙產(chǎn)生或擴展）時聲發(fā)射事件的平均能量，可將各聲發(fā)射事件按其能量大小分為大、中、小三個級別，從而科學(xué)有效的分析分析圍巖整體能量釋放和圍巖活動劇烈程度。具體分類見表2。

表2 聲發(fā)射等級分類

1）第一分段開采過程中聲發(fā)射特征分析。由圖3聲發(fā)射信號變化特征可知，當(dāng)工作面剛開始推進時聲發(fā)射事件以中事件為主，且事件數(shù)較少，平均每推進0.5 cm事件數(shù)為0.7×104次，釋放能量值為0.5×105mV·μs。工作面推進至1 cm后，隨工作面的繼續(xù)推進事件數(shù)與釋放能量值都呈上升趨勢，而上升幅度較較小，直到工作面推進至3 cm時，平均每推進0.5cm釋放總能量值達到最大值1.6×105mV·μs，在此過程中聲發(fā)射事件以中事件與小事件為主。當(dāng)工作面推進至3.5 cm時，事件數(shù)高達4.5×104次，而釋放能量值僅為 1.6×105mV·μs。此后在 4.5～8.5 cm范圍內(nèi)，隨工作面的繼續(xù)推進，聲發(fā)射事件數(shù)與釋放能量值都處于較低水平，聲發(fā)射事件以中事件與小事件為主。但工作面推進至8 cm后，聲發(fā)射事件數(shù)與釋放能量值再次上升且趨于平穩(wěn)，聲發(fā)射事件均以中事件為主，每推進0.5 cm聲發(fā)射事件釋放總能量值基本處于 1.2×105～2.3×105mV·μs范圍內(nèi)。

綜上所述，第一分段開采過程中，聲發(fā)射事件以中小事件為主，即采場煤巖體破壞形式以微觀裂隙與宏觀裂隙生成及擴展為主，而未發(fā)生大面積的垮落，且在此過程中，釋放能量較少。

圖3 聲發(fā)射信號變化特征

2）第二分段開采過程中聲發(fā)射特征分析。由圖4聲發(fā)射信號變化特征可知，在不采取任何頂板弱化措施的條件下，煤層開采過程中，聲發(fā)射事件以中與大事件為主，僅在工作面開采快結(jié)束時發(fā)生多次大事件，且各大事件釋放能量高達25 mV·μs，而小事件幾乎未發(fā)生。在工作面推進過程中，每推進0.5 cm的時間段內(nèi)聲發(fā)射總事件數(shù)變化不大，主要分布在2.0×104～4.0×104次范圍內(nèi)，而總釋放能量卻整體呈上升趨勢，當(dāng)工作面推進至17 cm時達到了最大值7.5×105mV·μs。

圖4 聲發(fā)射信號變化特征

3 結(jié)論

基于理論分析結(jié)果表明：采場結(jié)構(gòu)未發(fā)生畸變失穩(wěn)前，在高應(yīng)力作用下，強礦壓誘災(zāi)形式表現(xiàn)為幫鼓、底鼓、片幫等，且隨開采水平的下移災(zāi)害的影響范圍增大、嚴(yán)重程度升高；采場結(jié)構(gòu)畸變失穩(wěn)過程中，在巨大沖擊力與大量彈性能的作用下，災(zāi)害形式表現(xiàn)為劇烈破壞、震動以及在采空區(qū)內(nèi)形成暴風(fēng)等，嚴(yán)重威脅采場安全生產(chǎn)的強礦壓事件；且隨開采水平的不斷延伸強礦壓誘災(zāi)的頻率與強度整體表現(xiàn)為“遞增—驟減—遞增”的循環(huán)過程。

物理模擬實驗表明：第一分段開采過程中，覆巖破壞形式以宏觀裂隙與微觀裂隙發(fā)育及擴展為主，采場煤巖體發(fā)生聲發(fā)射事件數(shù)與釋放能量值較少，并在采空區(qū)內(nèi)形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)；第二分段開采過程中巖體破裂速度加快，聲發(fā)射事件數(shù)增多，并在開采后期，采場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，覆巖大面積垮落，聲發(fā)射事件數(shù)與釋放能量驟增。

本文成果對45°特厚煤層開采中強礦壓控制提供了理論依據(jù)，對類似條件煤層的安全開采具有指導(dǎo)意義。