大采高綜采面頂板破斷特征與覆巖活動規(guī)律分析

李嘉裕

（晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 概述

我國煤層賦存條件復(fù)雜，目前大量礦井正在開采受地質(zhì)構(gòu)造影響的煤炭資源，該類地質(zhì)條件下，若煤層較厚、采高較大，其頂板穩(wěn)定性明顯降低，面臨的直接問題就是易出現(xiàn)直接頂切割冒頂現(xiàn)象，直接威脅到工作面的安全高效回采[1-3]。針對工作面覆巖活動規(guī)律，國內(nèi)外專家學(xué)者進行了大量研究，如懸臂梁、壓力拱、鉸接巖塊、傳遞巖梁、砌體梁、關(guān)鍵層等眾多理論假說[4-6]。本文以煤峪口礦82002 大采高綜采面為工程背景，揭示大采高綜采面頂板破斷特征與覆巖活動規(guī)律，為支架選型和工作面參數(shù)確定提供理論依據(jù)。

2 相似模擬方案

煤峪口礦412 盤區(qū)82002 工作面開采11#煤層，工作面埋深296.1～318.9 m；煤層厚度4.0 m，含1～2 層夾矸；開切眼寬度7.0 m，高度4.0 m；直接頂為2.0 m 厚的細砂巖，基本頂為8.0 m 厚的粗砂巖。模擬時，按比例（100:1）建立相似模擬模型，模型長1 800 mm、高1 000 mm、寬160 mm，其中直接頂及上覆巖層厚度860 mm，等價于86 m 高度，上部施加869.53 kg配重等價工作面埋深300.0 m；模擬動力相似比和時間相似比分別為1.7:1、10:1，監(jiān)測模型開挖過程中的覆巖應(yīng)力和位移規(guī)律，測點布置見圖1，測點共計8 層17 列，間距均為100 mm。

圖1 測點布置

3 頂板破斷特征與覆巖活動規(guī)律

相似模擬試驗工作面沿走向開采，開切眼寬度70.0 mm，等價于7.0 m，開切眼高度40.0 mm，等價于4.0 m，每次開挖50.0 mm，等價于工作面回采5.0 m。圖2給出了相似模擬結(jié)果，圖3給出了工作面開挖1 200 mm（120.0 m）時的覆巖下沉曲線。當工作面開挖400 mm 時，工作面直接頂失穩(wěn)，發(fā)生初次垮落（高度20 mm）；當工作面開挖500 mm（50.0 m）時，工作面基本頂初次破斷，即垮落步距為500 mm（50.0 m），垮落高度約80 mm（8.0 m）；未破斷的基本頂巖層出現(xiàn)彎曲下沉，基本頂巖層垮落后，冒落矸石仍距上覆巖層約20 mm（2.0 m）；由于回采范圍較小，基本頂巖層的初次破斷尚未引起上覆巖層的劇烈活動。隨著工作面繼續(xù)開挖，基本頂巖層及其上覆巖層開始出現(xiàn)離層，當工作面開挖至700 mm（70.0 m）時，基本頂巖層出現(xiàn)二次破斷，即垮落步距為200 mm（20 m），其上覆巖層變形量顯著增加；當工作面開挖至850 mm（85.0 m）時，即垮落步距為150 mm（15 m），基本頂巖層再次破斷，上覆巖層變形量繼續(xù)增加，并出現(xiàn)明顯彎曲下沉現(xiàn)象，此時采空區(qū)冒落矸石距未破斷頂板距離由20 mm減少至10 mm（即由2 m 減少至1 m）。當工作面開挖至1 050 mm（105.0 m）、1 200 mm（120.0 m）時，基本頂巖層出現(xiàn)破斷，垮落步距分別為200 mm、150 mm（即20 m 和15 m），至此采空區(qū)冒落矸石與未破斷頂板相互接觸，而上覆巖層仍存在離層現(xiàn)象。工作面開挖1 200 mm（120.0 m）后，停止開挖，模擬結(jié)束，此時，基本頂及其上覆巖層呈現(xiàn)倒臺階狀垮落。

圖2 相似模擬結(jié)果

圖3 工作面開挖1 200 mm 時的覆巖下沉曲線

模型鋪設(shè)時采用應(yīng)變片標定了應(yīng)力值，并實測了開挖過程中的基本頂巖層應(yīng)力變化情況。當工作面開挖0～100 mm 時，開挖范圍較小，應(yīng)力變化較小，覆巖變形較?。划敼ぷ髅骈_挖400 mm 時，直接頂初次垮落，基本頂巖層小范圍變形，基本頂巖層局部應(yīng)力集中；當工作面開挖500 mm 時，基本頂巖層出現(xiàn)初次破斷，基本頂巖層出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約24 MPa；當工作面開挖700 mm時，基本頂巖層出現(xiàn)初次來壓，應(yīng)力值有所降低，應(yīng)力最大值約13 MPa；工作面開挖至1 200 mm 時，基本頂巖層累積發(fā)生3 次周期來壓，采空區(qū)冒落矸石逐漸壓實，基本頂巖層內(nèi)應(yīng)力逐漸增高，此時應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在工作面前方未開挖煤體以及滯后工作面一定范圍內(nèi)的基本頂巖層，表明工作面位置存在一定的壓力拱結(jié)構(gòu)，承載開挖擾動形成的載荷。

4 現(xiàn)場礦壓規(guī)律分析

在煤峪口礦82002 大采高綜采面回采過程時監(jiān)測了工作面來壓情況，表1給出了10 個支架受力觀測站的礦壓數(shù)據(jù)。由表1可知，82002 大采高綜采面初次來壓步距在34.90～40.10 m 范圍內(nèi)，平均來壓步距37.08 m。綜采面初次來壓強度在21.52～28.86 MPa范圍內(nèi)，平均來壓強度25.53 MPa，平均動載系數(shù)1.7；綜采面周期來壓步距在16.29～22.88 m 范圍內(nèi)，平均來壓步距19.54 m，周期來壓強度在16.82～20.87 MPa范圍內(nèi)，平均來壓強度18.42 MPa，平均動載系數(shù)1.2。綜上表明，現(xiàn)場礦壓規(guī)律與相似模擬試驗結(jié)果基本吻合，表明了相似模擬試驗的合理性和可靠性。

表1 礦壓觀測匯總

5 結(jié)語

本文以煤峪口礦82002 大采高綜采面為工程背景，采用相似模擬試驗，揭示了大采高綜采面頂板破斷特征與覆巖活動規(guī)律：工作面初次來壓和周期來壓主要是由基本頂破斷造成工作面前方未開挖煤體以及滯后工作面一定范圍內(nèi)煤巖體應(yīng)力增加，表明工作面位置存在一定的壓力拱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)承載開挖擾動形成的載荷?，F(xiàn)場礦壓規(guī)律驗證了相似模擬的合理性，為支架選型和工作面參數(shù)確定提供理論依據(jù)。