近浅埋厚煤层综放开采覆岩运移规律相似模拟研究

杨宝贵，王俊涛，宋晓波，胡 然，李 杨，党 鹏

(中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院，北京100083)

根据国家西部大开发规划以及我国中东部地区资源开发现状，我国的能源基地将向西部扩展，该地区煤层的主要特征是埋深较浅、赋存稳定。近几年来，专家学者对典型浅埋煤层开采引起的上覆岩层移动及岩层控制这一问题，进行了广泛的现场实践和理论研究，取得了一些成果，但这些结论都是根据对典型浅埋煤层的开采研究得出的，即用长壁综采的方式开采基岩较薄、松散载荷层厚度较大的煤层［1－2］。随着资源需求量的增大，逐渐开始对埋藏更深的近浅埋煤层进行开采，煤层埋深通常大于150m，基岩较厚，煤层厚度较大。目前，关于近浅埋煤层开采所引起的上覆岩层移动规律的研究相对较少，本文运用相似材料模拟实验，将从基本顶垮落步距、岩层垮落形态、覆岩垮落“三带”特征、岩层位移等方面对该条件下开采引起的覆岩移动规律进行分析。

1 实验原理

相似材料模拟的实质［3］是:用与原型 (岩体、大坝或其他人工结构)力学性质相似的材料 (符合相似原理)按几何相似常数缩制成模型，然后在模型的基础上开挖各类工程，例如巷道或采场，以观察与研究工程围岩内的变形和破坏等矿压现象。相似材料模拟实验已经成为矿山工程研究的重要方法之一。相似理论要求模拟模型与实体原型的各对应量必须成一定比例关系，煤矿开采的相似模拟实验要求模型与实体在以下3个方面相似:几何相似、运动相似、动力相似。

2 煤层概况

某矿区2－2煤层发育于延安组中岩段，是主要可采煤层之一。2－2煤层开采深度最小196.22 m，最大202.98m，平均193.46m。煤厚最小6.09m，最大7.21m，平均6.65m，底层割煤3m，放顶煤厚度为3.65m，煤层厚度由北向南逐渐增厚，为全区可采稳定厚煤层。根据实际地质资料，整理出了该区各煤岩层的物理力学参数，如表1所示。松散层厚度平均为2m，基岩层厚度平均191.46m，各岩层岩性及对应厚度如表2中真实厚度所示。

表1 煤岩层物理力学性质

3 试验装置与模型设计

3.1 试验装置及测点布置

相似模拟试验台主体由槽钢和角钢组成，长、宽、高分别为1800mm，160mm，1300mm，采用平面应力模型，试验台正面模板用厚钢板制成，通过试验台两边孔固定模板。

为了记录工作面开采过程中上覆岩层的移动情况，在煤层上方的岩层中每隔100mm均匀布置一个位移测点。

3.2 模型设计

根据原型条件和试验装置，确定几何相似比为αL=200∶1，容重相似比为αγ=1.6∶1，时间相似比为14.142。由于在煤层开采过程中，底板对上覆岩层移动的影响相对较小，所以在建立相似模型的时候对煤层底板进行简化［4］，即在实验中只铺设60mm左右的底板。铺设的模型长度为1800mm，宽为160mm，高约为1000mm。

3.3 模型材料

相似模拟材料主要由细砂、石灰、石膏组成。不同材料配比组成不同种类的相似材料，其力学性能不同。各岩层在相似模型中的厚度及强度可以分别用式 (1)和式 (2)转换［5］。根据已计算出的模型力学参数，选定骨料及胶结料进行配比试验，最后选择出满足试验要求的合理配比。

式中，LM，LH分别为模拟厚度、实体厚度。

式中，σc为单轴抗压强度; ασ=αL·αγ=320。

通过上面的计算与研究，可得出各煤岩层模型的厚度、抗压强度、重力密度及材料配比等参数，如表2所示。

表2 相似模拟试验材料配比

3.4 过程简述

相似材料模拟模型自行风干后即可开始工作面开挖实验。首先用电子经纬仪测量位移测点的角度作为位移测点的原始数据。为消除边界效应，自左边界300mm处开始对煤层进行划分，划分长度为40mm。开始实验时，在距左边界300mm处开切眼，为简化实验工作面每次推进长度为40mm。在工作面推进的同时，用电子经纬仪观测所布置的位移测点的角度变化，并做好详细记录，具体实验过程如图1所示。

图1 上覆岩层垮落

4 试验结果及其分析

4.1 垮落步距

模型未开挖状态如图1(a)所示;工作面自开切眼开始推进，推至64m时基本顶出现第1次垮落，如图1(b)所示;推至80m，96m，112m，136m，152m，176m，192m，216m，232m处时出现第2，第3，第4，第5，第6，第7，第8，第9，第10次垮落，如图1(c) ～(k)所示;推至256m时出现第11次垮落并且贯穿地表，如图1(l)所示。基本顶初次垮落步距为64m，周期垮落步距分别为16m，16m，16m，24m，16m，24m，16m，24m，16m，周期垮落步距为16～24m，平均为20m，垮落步距呈大小交替周期性变化。根据覆岩关键层理论进行分析可知［6－7］，近浅埋厚煤层工作面顶板形成双关键层结构，两组关键层的不同步距破断是造成垮落步距呈现大小交替情况的主要原因。

4.2 岩层垮落形态

如图1所示，不同于典型浅埋煤层工作面顶板及上覆岩层破断规律，近浅埋煤层工作面顶板并没有出现台阶下沉和整体切落现象。

随着工作面的推进，工作面上覆岩层经历了“离层—垮落—压实”3个过程，离煤层越近的岩层破碎程度越大，离煤层越远其弯曲下沉程度越小，工作面上覆岩层无明显台阶下沉。在岩层垮落下沉过程中，当上部岩层强度明显高于其下部的岩层强度时，在两岩层的交界面上容易形成离层。由图1可以看出，从上覆岩层发生移动开始直到开采引起的岩层移动波及到地表，离层大量存在。在整个开采过程中，在垂直方向离层是由下向上发展的，且离层是逐渐减小的。随着垂直方向的向上运动，离层在水平方向向着煤层开采方向运动。运动稳定后，离层的位置多位于采空区的中央正上方。

4.3 覆岩垮落“三带”特征

从相似材料模拟结果可知，在近浅埋煤层的开采过程中，上覆岩层的移动能够较为明显地形成“三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲下沉带［8］。

当工作面推进到24m时，直接顶开始冒落，并随着工作面推进随采随冒，基本顶上方出现离层。当工作面推进到64m时基本顶初次破断，工作面经历基本顶初次垮落，垮落步距为64m，如图1(b)所示。随着煤层的采出，上覆岩层中出现垮落带，并且上方岩层中产生离层及竖向微裂隙。

当工作面推进到80m时，基本顶第2次周期性破断，工作面经历基本顶周期破断。此时，破断的基本顶形成铰接结构，上覆岩层中出现裂缝带，如图1(c)所示。随着开采的进行，覆岩中未破断岩层裂缝发育明显，此阶段属于裂缝带的发展阶段，如图1(d) ～1(g)所示。裂缝带岩层虽已断裂成块，仍整齐排列，在弯曲下沉过程中互相铰接保持平衡。

当工作面推进到152m时，裂缝带上方的岩层不再发生破断，只发生整体弯曲下沉，岩层中裂隙数量变少，且连通性变差，这标志着上覆岩层出现弯曲下沉带，如图1(h)所示。随着工作面继续推进，弯曲下沉带的岩层保持基本连续，同时弯曲带在垂直方向由下向上发展，如图1(i) ～1(k)所示。当工作面推进到256m时，工作面开采引起的覆岩移动波及到地表，采空区及岩层中的裂隙进一步压实，如图1(l)所示。经测量上覆岩层的最终垮落角约为70°。

4.4 岩层位移

在实验之前对模型布置了8行13列位移观测点 (自上而下编号1～8;自左向右编号1～13)，并用经纬仪对每个观测点进行测量作为原始数据。煤层开挖后，对发生移动的观测点进行观测记录，直至实验结束。对相似模拟实验位移观测点的数据进行处理，得出岩层垂直位移和水平位移图，如图2和3所示。

图2 观测点的垂直位移

图3 观测点的水平位移

由图2可知，随着工作面的开采，上覆岩层会发生破坏、变形、移动。岩层的垂直位移量随着岩层距煤层的距离增大而减小，破坏变形范围呈梯形状，且垂直位移最大处基本是在下沉岩层的中部。由垂直位移量得出岩层垂直位移曲线，曲线总体上呈“U”形，即中部位移大，两边位移小。

由图3可知，煤层开采时，上覆岩层在产生垂直位移的同时也要产生水平位移。从水平位移曲线来看，一部分位移曲线为正，一部分位移曲线为负，说明岩层在水平方向总体上是由两侧向中部移动，即岩层受自重影响要弯曲下沉，在下沉过程中带动两侧岩层向采空区中部位置移动。因为随着岩层距煤层距离的增大，上覆岩层下沉量减小，所以相应的水平位移也随之减小，在曲线上就体现为下部观测点的水平位移大，而上部观测点的水平位移较小。岩层水平位移曲线总体上呈“～”形。

5 结论

运用相似材料模拟实验，针对某工作面实际情况，对近浅埋厚煤层综放开采时覆岩运移规律进行研究，得出以下结论:

(1)当工作面推进到25m时，直接顶开始垮落;当工作面推进到64m时，基本顶初次垮落。基本顶初期垮落步距为64m，周期垮落步距为16～24m，平均为20m，垮落步距呈大小交替周期性变化。

(2)近浅埋煤层工作面在推进过程中，工作面顶板及上覆岩层没有出现明显台阶下沉，工作面上覆岩层的移动经历了“离层—垮落—压实”3个过程，离层大量存在于覆岩运动的整个过程中。

(3)区别于典型浅埋煤层上覆岩层只形成垮落带和裂缝带，在近浅埋煤层的开采过程中，上覆岩层的移动能够较为明显地形成“三带”，即垮落带、裂缝带和弯曲下沉带。

(4)在近浅埋煤层工作面开采过程中，上覆岩层垂直位移量大致以采空区中心为对称轴呈“U”形分布，且中部大两边小，随着岩层距煤层的距离增大垂直位移量减小。上覆岩层水平位移量总体上呈“～”形状，水平位移方向总体上是由两侧向中部移动，随着岩层距煤层距离的增大，水平位移量减小。

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