綜放開采堅(jiān)硬頂板弱化物理模擬研究

史文豹，常聚才，李 彥，殷志強(qiáng)，李 冬

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣學(xué)院，安徽 淮南 232001)

堅(jiān)硬頂板綜放工作面是屬于厚煤層開采方式，采高較大，且覆巖為堅(jiān)硬巖層，隨工作面的回采難以及時(shí)自然跨斷冒落，易于形成大面積懸頂，當(dāng)其跨斷冒落時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊能量，進(jìn)而可能誘發(fā)沖擊地壓以及工作面液壓支架急速下縮直至壓架事故的發(fā)生[1-2]。為此，眾多專家學(xué)者針對堅(jiān)硬頂板破斷運(yùn)移特征進(jìn)行了大量研究，成果包括各種大空間采場巖層結(jié)構(gòu)模型[3]、堅(jiān)硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的破斷沖擊效應(yīng)[4]、堅(jiān)硬頂板條件下大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等[5-7]。而在堅(jiān)硬頂板弱化管理方面，超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[8-9]，但針對堅(jiān)硬頂板綜放開采工作面超前深孔預(yù)裂爆破效果往往采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場礦壓數(shù)據(jù)等方法進(jìn)行研究，往往不夠直觀，其爆破后覆巖運(yùn)移特征特征與爆破前的區(qū)別難以直觀有效的明確，因此本文以中國永隴礦區(qū)招賢煤礦1307堅(jiān)硬頂板工作面煤層開采為研究背景，采用物理相似模擬試驗(yàn)方法，對比研究常規(guī)回采條件與頂板弱化管理后采場覆巖運(yùn)移破斷特征，為后續(xù)巨厚堅(jiān)硬頂板綜放工作面安全高效開采及礦壓控制提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

招賢煤礦1307工作面位于井田首采區(qū)東南翼，東面為未開采區(qū)，南面以梨家溝村保護(hù)煤柱為界，西面為北翼帶式輸送機(jī)大巷，北面緊鄰麥里溝向斜，地表標(biāo)高為1 393.2～1 471.4m。工作面回采侏羅紀(jì)延安組3煤層，煤層傾角3°～17°不等，平均傾角9°，工作面回采范圍內(nèi)全煤厚為4～15m，平均厚度10.33m。煤層硬度系數(shù)2～4；覆巖賦存有多層堅(jiān)硬頂板，其中砂質(zhì)巖性巖層占90%～95%，多以粉砂巖、細(xì)砂巖、中粗粒砂巖為主，頂板巖層堅(jiān)硬完整，頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 1307工作面煤層及頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 頂板弱化模擬設(shè)計(jì)

現(xiàn)場實(shí)施深孔預(yù)裂爆破軟化頂板技術(shù)主要在于通過不同水平距離扇形布置的爆破孔對煤層頂板覆巖進(jìn)行爆破，多爆破孔在爆破區(qū)域內(nèi)形成的破壞應(yīng)力波和高壓氣體的相互疊加，使得爆破孔一定范圍內(nèi)裂隙的擴(kuò)展與貫通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤層頂板堅(jiān)硬巖層整體性的物理弱化[10]；基于此，在采場相似模擬試驗(yàn)過程中，可以采用巖層中添加豎直放置的塑料薄片方式對采場頂板堅(jiān)硬巖層進(jìn)行弱化，用以模擬采場覆巖深孔預(yù)裂爆破弱化頂板，為此，首先通過三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)分析塑料薄片放置前后對試塊強(qiáng)度弱化的影響，試塊長×寬×高=100mm×50mm×50mm，試塊如圖2所示，三點(diǎn)彎曲斷裂荷載-位移曲線如圖3所示。由圖2可知，弱化前后的試樣三點(diǎn)彎曲斷裂的平均峰值荷載分別為6.98kN和2.32kN，試樣斷裂的的峰值載荷降低至約30%，表明試樣中部埋入一半厚度的薄片可以模擬堅(jiān)硬巖層弱化效果。

(a)未弱化試塊 (b)塑料薄片弱化后試塊圖2 弱化對比試塊

圖3 試塊弱化前后三點(diǎn)彎曲斷裂荷載-位移曲線

2.2 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到現(xiàn)場回采是采用綜放開采的形式對煤層進(jìn)行回采，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和本次試驗(yàn)研究的內(nèi)容，本次相似模擬試驗(yàn)主動(dòng)減少了放煤步驟，對采高實(shí)現(xiàn)一次采出(采出率按照80%[11-12])，幾何相似比為Cl=Lp/Lm=100，動(dòng)力比例系數(shù)為Cγ=Cp=ρp/ρm=1.7，應(yīng)力相似比為Cσ=σP/σm=Cl×Cγ=170。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)頂板弱化對比，增設(shè)了一臺相同材料模型，模型老頂采用一定措施進(jìn)行強(qiáng)度弱化，常規(guī)采場覆巖與弱化采場覆巖分別為工況一和工況二。實(shí)驗(yàn)室相似模擬選用平面應(yīng)力實(shí)驗(yàn)平臺，模型長×寬×高=3.0m×0.03m×1.3m，即模擬巖層高度為130m，其余上覆巖層按照重量補(bǔ)償載荷進(jìn)行加載實(shí)現(xiàn)，因其工作面埋深平均約590m，模型上方采用配重塊進(jìn)行加載模擬上覆巖層重量，重量約為528kN，模擬模型、位移測點(diǎn)布置方案如圖4所示，同時(shí)三維靜態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)對相似模擬試驗(yàn)過程中位移變化監(jiān)測。三維靜態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)采用近景攝影測量技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過程中物體表面位移及應(yīng)變的測量，并且兼容單相機(jī)二維測量。

圖4 相似模型

頂板具體弱化措施：依據(jù)基本頂理論，需要模擬弱化的堅(jiān)硬巖層如圖5所示。在實(shí)際工作面推進(jìn)過程中，工作面周期來壓步距越小對液壓支架的工作壓力越小，初步弱化步距選擇為20m/次，弱化范圍至2煤底板，相當(dāng)于工作面上方30m范圍內(nèi)，每層巖層從開切眼位置每20m弱化一次；弱化材料為有機(jī)透明塑料片，提前根據(jù)模型攤鋪巖層高度及寬度進(jìn)行合理尺寸裁剪，即2cm(3cm)×30cm；塑料片立放，垂直于工作面推進(jìn)方向，長邊一半埋入攤鋪巖層中，層層依次布設(shè)，當(dāng)模型干燥成型后，從模型背后將預(yù)埋塑料片抽出，從而實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)巖層的弱化處理。

圖5 相似模擬頂板弱化位置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 采場覆巖宏觀冒落特征

圖6所示為工況一條件下工作面回采過程中頂板破斷冒落特征。工作面推進(jìn)75m時(shí)工作面出現(xiàn)初次冒落，從整體頂板破斷特征分析，采空區(qū)覆巖周期跨斷存在大小周期跨斷特征，其中工作面推進(jìn)至110m時(shí)發(fā)生第一次小周期跨斷，而工作面推進(jìn)到140m時(shí)發(fā)生第二次周期來壓，其垮落步距約為小周期覆巖破斷的兩倍。

圖6 常規(guī)條件下不同推進(jìn)距離覆巖變形破斷特征

圖7所示為工況二條件下工作面回采過程中頂板破斷冒落特征。采空區(qū)覆巖在工作面推進(jìn)至55m時(shí)完成初次冒落，周期跨斷步距約14m；同時(shí)工作面推進(jìn)85m時(shí)在采場上覆巖層25m處出現(xiàn)離層，而隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，采場上覆巖層中出現(xiàn)的離層逐漸消失。說明采用頂板弱化技術(shù)后，采場覆巖及時(shí)跨斷冒落充填采空區(qū)，防止采空區(qū)產(chǎn)生大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。

圖7 頂板弱化后不同推進(jìn)距離覆巖變形破斷特征

結(jié)合表1對比分析兩臺相似模擬采場覆巖垮落宏觀特征，受頂板弱化影響，采場覆巖初次跨斷步距由70m明顯縮小為35m，平均周期來壓步距由25m縮減至14m左右，同時(shí)消除了更高位堅(jiān)硬巖層受下位巖層斷裂冒落聯(lián)動(dòng)跨斷形成大周期跨斷現(xiàn)象，跨斷冒落的巖塊尺度較小，更有利于對采空區(qū)充填。由此可得，采用頂板弱化管理后，工作面覆巖垮落塊度、初次壓力步距、周期來壓步距等均有極大的改善，冒落巖塊能夠及時(shí)有效的充填滿采空區(qū)，可以有效的避免了采場更上覆堅(jiān)硬頂板隨下位跨斷冒落巖層突然斷裂形成強(qiáng)沖擊來壓現(xiàn)象，可以有效地保證工作面安全高效回采。

表1 1307工作面常規(guī)回采和頂板弱化后回采參數(shù)表

3.2 工作面回采期間覆巖變形移動(dòng)規(guī)律

通過選取測線2處巖層各點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，記錄了工況一條件下工作面上覆30m處巖層的變形移動(dòng)規(guī)律如圖8所示。工作面推進(jìn)至110m時(shí)，工作面上方30m處巖層垂直移動(dòng)量出現(xiàn)大幅度增加。當(dāng)工作面推進(jìn)140m時(shí)，采空區(qū)30m處巖層位移再次出現(xiàn)臺階整體下沉現(xiàn)象，造成40m以上高位堅(jiān)硬巖層在工作面推進(jìn)140m時(shí)隨其下位巖層跨斷冒落而斷裂下沉，進(jìn)行形成第二次周期跨斷現(xiàn)象，該現(xiàn)象在工作面推進(jìn)至220m時(shí)再次發(fā)生。最大下沉值為6.8m。

(a)工作面上方30m (b)工作面上方40m圖8 常規(guī)工作面回采覆巖彎曲下沉變形規(guī)律

通過物理切縫模擬超前深孔預(yù)裂頂板實(shí)現(xiàn)對綜放工作面頂板弱化管理后，根據(jù)測線2和3可知工作面上覆30m和40m處巖層彎曲下沉變形規(guī)律，如圖9所示。工作面上方30m和40m處巖層隨著工作面回采其變形規(guī)律大致相同，工作面推進(jìn)55m完成初次來壓，隨著工作面推進(jìn)90m、160m、 220m時(shí)， 工作面上方30m和40m處巖層開始出現(xiàn)彎曲變形下沉， 其垂直位移最大值分別約為3.86cm和3.78cm。

(a)工作面上方30m

(b)工作面上方40m圖9 堅(jiān)硬頂板弱化后工作面回采頂板彎曲下沉變化規(guī)律

綜上所述，采用頂板弱化后1307綜放工作面上覆30m、40m處的巖層下沉趨勢基本保持一致，隨著工作面回采采空區(qū)覆巖及時(shí)垮落，垮落高度小于30m，采空區(qū)上方30m以上巖層會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲下沉變形，從而及時(shí)有效的消除采空區(qū)空頂空間，實(shí)現(xiàn)整體覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；而常規(guī)工作面回采，受堅(jiān)硬頂板影響，其覆巖運(yùn)移破斷顯示出大小周期破斷運(yùn)移特征。

4 結(jié)論

(1)常規(guī)條件下堅(jiān)硬頂板綜放開采覆巖宏觀破斷特征呈現(xiàn)出“大小周期”復(fù)合破斷現(xiàn)象，且不同高度巖層破斷下沉呈現(xiàn)明顯時(shí)滯性，垮落巖塊整體性較大，有明顯二次破斷裂隙特征，覆巖冒落高度約52m，會(huì)顯著影響工作面的安全回采。

(2)堅(jiān)硬頂板弱化管理后，工作面覆巖初次跨斷步距明顯縮小，不同高度巖層整體協(xié)調(diào)性下沉，冒落及時(shí)，垮落塊度普遍小于5m，垮落巖石碎脹程度較高，，能夠有效的實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)空間的充實(shí)。

(3)本次試驗(yàn)直觀展現(xiàn)了工作面覆巖堅(jiān)硬頂板弱化管理前后覆巖運(yùn)移破斷特征，并表明采用超前頂板弱化技術(shù)可以有效改善堅(jiān)硬頂板厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)特征，及時(shí)有效的實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)空間的充填，避免煤層回采對更高位堅(jiān)硬巖層彎曲變形跨斷的影響，更有利于工作面安全高效回采。