坚硬顶板切眼预裂条件下综采工作面相似模拟研究

孔文

【摘要】为研究坚硬顶板综采工作面在切眼顶板预裂条件下的覆岩移动规律，以山西凌志达煤矿15101工作面为研究对象，采用相似模拟的研究方法，对15101工作面直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期性破断规律进行模拟研究，再现了覆岩裂隙场的发育过程，得出了工作面顶板垮落特征及顶板垮落带和裂缝带“两带”高度等，为工作面矿压及顶板管理提供了相应的参考。

【关键词】坚硬顶板；顶板预裂；覆岩移动；相似模拟

Analog Simulation Study on the condition of hard roof open-off cuts pre-splitting in fully mechanized working face

KONG Wen

(Fangzhuang No.1 Coal Mine, Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd, Jiaozuo Henan, 454003, China)

【Abstract】In order to study the overburden strata movement on the condition of open-off cuts pre-splitting in large mining height fully mechanized working face with hard roof, taking 15101 working face of Lingzhida coal mine in Shanxi province as the object, research the rule of work face immediate roof broken, main roof first broken, main roof periodic broken，reproduction process of overburden strata fracture field by the method of similar simulation, study of collapsing characteristic of hard roof ，the roof caving zone and fractured zone height is measured, and it can provid reference for the working face of underground pressure control and roof management.

【Key words】Hard roof；Roof pre-splitting；Overburden strata movement；Similar simulation

0前言

凌志達煤矿15101工作面基本顶K2灰岩厚度为5.75~8.93m，且抗压强度达到133.8MPa，属于典型的坚硬岩层，为防止顶板悬露面积过大，必须采取切眼预裂措施[1-2]。切眼浅孔预裂后，在垂直应力的作用下，覆岩结构演化呈现出不同的特点，采用相似模拟试验方法研究深部煤层开采上覆岩层裂隙场的演化过程，具有直观性、可操作性等特点，它直观显现了工作面推进过程中，围岩裂隙场发育的状态[3-4]。

1地质概况

15101工作面所采的15号煤层位于太原组下部，上距K2石灰岩0-3.00m。煤层稳定全区可采。顶板为炭质泥岩或泥岩，底板为泥岩或炭质泥岩，柱状图如下图1。

基本顶：K2灰岩，厚度为5.75~8.93m，深灰色，中厚层状，含生物碎屑，方解石，致密坚硬；

直接顶：泥岩，厚度为0.6~2.0m：黑色、质地较密；

伪顶：炭质泥岩，厚度为0.05~0.2m，黑色，质地松软，随采随落；

底板：泥岩及黄铁矿泥岩，平均厚度12.88m，黑色,含黄铁矿，有黄金色碎屑。

2模型配比及制作

凌志达矿井15101综采工作面采用走向长壁一次采全高采煤法，设计采高为3.8m，工作面走向长为2240m，倾向长为175m，埋深为290m。本次实验模型模拟工作面沿走向方向推进，选取模拟支架的规格为2.5m×1.4m×2.0m(长×高×宽)。

2.1模型配比

依据物理相似模拟原理，并结合现场情况，选取的模拟材料为砂、石膏再与水有一定的配比搅拌来模拟岩层；用云母粉来模拟层面和节理裂隙[5-6]。相似模拟材料配比如表1所示。

表1模型相似材料配比

2.2模型开采设计

为了减少边界条件的影响，左右边界上分别留设了30m的煤柱，在模型上沿横向布置4条测线，每条测线上共11个测点，间距0.15m，每个测点上都贴上反光纸如图2所示。

图2模型设计图

测点布置如表2，整个开挖过程用全站仪来观察工作面覆岩运移情况，同时用数码相机跟踪拍照，记录工作面覆岩变形、破断及垮落情况。

表2位移测点布置

3顶板垮落特征分析

模型从切眼开始，进行切眼的放顶，然后开挖，共经历了基本顶K2石灰岩的初次垮落，四个周期性垮落，具体的试验过程和现象如下：

（1）留煤层保护煤柱30cm（现场为30m），切眼大致8m（现场为8m），进行顶板的预裂放顶模拟，由设计的放顶方案可知放顶的高度为H=13.15cm（现场为13.5m），可贯穿顶板坚硬的K2灰岩，宽度约为2cm（现场为2m），具体如下图3。

图3切眼放顶模型

（2）模拟开挖，煤层上方约0.9cm（现场为0.9m）的伪顶泥岩随采随落，上面的基本顶K2灰岩变化不大，当模拟开挖36cm(现场推进36m)时，煤层顶板6.78m厚的K2灰岩层（亚关键层）整体呈梯形状发生初次垮落。由于切眼处经过放顶预裂，煤层的顶板成了悬臂梁结构，顶板初次垮落后，向采空区方向倾斜垮落，正好如下图所示。同时上方模拟2.1m厚的泥岩和2.1m厚的砂质泥岩伴随着坚硬K2灰岩层随之垮落，整体垮落的高度为11.88cm（现场为11.88m），煤壁侧冒落角为67°，预留煤柱侧冒落角为70°，模拟试验垮落图如图4。

图4老顶顶初次垮落

（3）当模拟开挖到58.5cm（相当现场为58.5m）时，煤层上方的K2灰岩及上覆软岩层发生第一次周期性垮落，垮落岩块长度26.2cm。煤壁侧冒落角为62°，预留煤柱侧冒落角为70°，上覆的砂质泥岩层也随之垮落，分层现象出现，垮落特征图如图5。

图5第一次周期垮落特征图

（4）当模拟开挖到106cm（相当现场为106m）时，煤层上方的K2灰岩及上覆软岩层发生第三次周期性垮落，断裂线在煤壁前方4cm出（现场为4m），垮落岩块长度27.5cm。K2灰岩上方的12.5cm和14.6cm处（现场即12.5m和14.6m）出现裂隙，裂隙带和弯曲下沉带不断增大。煤壁侧冒落角为62°，预留煤柱侧冒落角为68°，具体垮落特征图如图6所示。

（５）随着工作面不断推进，顶板出现分层次垮落现象，K2灰岩和上方的泥岩先冒落，无序的堆积在采空区，上方较坚硬的中粒砂岩岩层以上的覆岩一般呈整体移动，且岩层一般不再破裂，只是在自重作用下产生的法向弯曲，形成弯曲下沉带。工作面上覆岩层逐渐冒落、变形、离层，岩层重量逐渐由采空区冒落矸石承担，离层逐渐被压实如下图7所示。

图6第三次周期垮落特征图

图7顶板垮落特征图

4结论

采用相似模拟试验对坚硬顶板切眼预裂条件下综采工作面覆岩移动规律进行研究，得到以下结论：

（1）工作面经过切眼放顶后，煤层的顶板成了悬臂梁结构，顶板初次垮落后，向采空区方向倾斜垮落，K2灰岩初次垮落步距为58.5m，周期来压步距平均为22.5m；

（2）工作面C9层泥岩以下为垮落带，约为15m，而该岩层以上为裂隙带；

（3）K2灰岩垮落后其上软岩层分段冒落，垮落厚度约为3~4倍采高；随开采不断进行，工作面前方煤壁的冒落角和采空区一侧煤壁的冒落角变化不大。

【参考文献】

［１］任艳芳,宁宇,齐庆新.浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟[J].煤炭学报,2013,38(1):61-66.

［２］郭浩森.特厚煤层综放采场矿压显现特征及覆岩移动规律研究[D].河南理工大学,2012.

［３］陈义东,李英明.特厚煤层大采高综放工作面覆岩上层活动规律的相似模拟研究[J].2011,31(2):8-10,31.

［４］刘纯贵.马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟[J].煤炭学报,2011,36(1): 8-11.

［５］郭浩森,李化敏,李东印,等.重型综放工作面快速回撤与末采期顶板控制技术[J].煤炭科学技术,2012,40(10):34-36,40.

［６］付玉平,宋选民,邢平伟,等.浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟研究[J].煤炭学报,2012,37(3):367-371.

［责任编辑：汤静］