大倾角煤层覆岩破坏规律相似材料模拟研究

李 劲

(汾西矿业集团 正令煤业公司，山西 孝义 032300)

1 模型设计

1.1 模型尺寸与相似材料配比

由于某矿2317工作面煤层赋存倾角变化较大(20°～ 48°)，并且该工作面采用的是俯伪斜综采放顶煤采煤法，因此，本次试验选取倾角上限48°来研究上覆岩层的运动规律。本次试验所采用的实验台为二维相似材料模拟实验台，实验台的框架规格为3 m×0.4 m×2 m。

通过分析原型煤层的煤层柱状图，选用沙子为骨料，石膏和碳酸钙作为黏结材料来铺设模型[1]。然后根据岩层的抗压强度选择配比号，通过文献[2]计算出沙子、石膏和碳酸钙的用量。

本次试验的覆岩特征及模型材料配比用料见表1和表2。

1.2 模型测点布置

首先在模型表面沿着煤层的倾向和垂直倾向的方向用墨线打上经纬线，网格线的大小为5 cm×5 cm，同时在部分网格交点处插入大头针作为位移观测点，大头针的顶部距离模型表面<0.5 cm，然后通过GTS-602A全站仪定期观测大头针的位置变化。本次试验在煤层上方共布设11条观测线，测线间距为10 cm，第一条测线距煤层8 cm，每条观测线上共布设14个测点，测点之间的间距为10 cm。

表1 现场条件与模型参数对比表(1∶100)

表2模型配比用料及铺设层次表

2 开采过程分析

由于采煤方法为俯采，所以模型沿煤层倾斜方向向下开挖，每次推进5 cm，相当于实际每次推进5 m。根据时间相似原则，每天共开挖10 cm，相当于实际开采10 m。模型上端保留了100 cm边界煤柱，以研究上覆岩层的移动规律。本次开采由于煤层比较厚，又是综采放顶煤开采，因此, 在反面加设护板，以防止顶板垮落到模型外面，从而影响上覆岩层运动。模型开挖过程中顶板不同阶段垮落情况见图1。

由图1可以看出，随着模型的开采，开挖到20 cm，直接顶仅发生了轻微的离层。模型开挖到25 cm，随着岩梁跨距的增加，作为直接顶的粉砂岩和3下煤开始出现大的离层并随即垮落。当开挖到35 cm，直接顶上方的覆岩继续发生轻微离层。从采空区冒落岩层来看，冒落的岩层会沿着底板向工作面产生滑动。开挖到45 cm，直接顶又一次发生较大范围的冒落，此外，直接顶上方的覆岩发生了较大的离层。开挖到50 cm，老顶第一岩梁9.35 m的细粒砂岩初次断裂，形成老顶初次来压，同时老顶顶部出现离层。开挖到75 cm时，9.35 m的细粒砂岩在工作面上方产生断裂，形成老顶第二次周期来压，离层同样继续向上发展。开挖到115 cm时，9.35 m的细粒砂岩在工作面上方产生新的断裂，形成老顶第四次周期来压，而老顶第二、第三次周期来压形成的岩梁则随着上部空间的加大，成为冒落带，同时离层发展到了距煤层70 cm的位置。开挖到140 cm时，9.35 m的细粒砂岩在工作面上方再次产生断裂，形成老顶第五次周期来压。而基本顶第四次周期来压形成的岩梁随着上部空间的加大，也成为了冒落带。距煤层70 cm的离层在宽度和高度上继续发展，沿煤层倾向的长度达到了50 cm。

a) 20 cm b) 25 cm

c) 35 cm d) 45 cm

e) 50 cm f) 75 cm

g)115 cm h) 140 cm

图1 模型开挖各阶段变化图

从整个试验研究得知，直接顶初次垮落步距大约为25 m，周期垮落步距约为10 m。基本顶初次垮落步距约为50 m，周期垮落步距约25 m。

3 采场覆岩空间结构演化

相似模拟试验表明，随工作面推进采场覆岩空间结构是不断演化的，动态液化规律图见图2。

a) 推进30 m时的梁式结构

b) 推进50 m时的多个结构

c) 推进90 m时的多个结构

d) 推进120 m时的多个结构

从相似材料模拟的结果来看，从开切眼开始，在工作面的推进过程中，大倾角厚煤层覆岩不断有空间结构形成。在工作面推进到30 m时，直接顶已经垮落到采空区，其上的老顶以两端固定的嵌固梁形式出现，起到了承担上覆岩层的作用。工作面推进到50 m时，直接顶已经全部垮落到采空区，老顶断裂回转，形成传递岩梁结构，同时在老顶结构上部形成关键层拱结构。当工作面推进到90 m时，开切眼附近的原老顶岩梁转化为直接顶，老顶岩梁向上位岩层发展。由此可以看出，在当前状态下存在2个老顶岩梁结构，一个位于工作面上方，一个位于开切眼左上方。同时从整个采场来看，也存在一个关键层拱结构。当工作面推进到120 m时，覆岩空间多层结构继续发展，在当前状态下，存在3个老顶岩梁结构，一个位于工作面上方，一个位于开切眼左上方，一个位于这两个老顶岩梁之间。由于受模型尺寸限制，不能观察到更多的老顶岩梁结构的形成。但是可以预知，随着工作面的继续推进，这种多个老顶结构形式会持续发展下去，最终开切眼左上方的老顶结构以及其下方的老顶结构不再向上发展，而成为覆岩缓慢下沉的形式，最终与直接顶压实。

从覆岩空间结构的演化过程同样可以得知大倾角厚煤层覆岩的垮落形态，沿工作面推进方向，覆岩垮落形态示意图见图3。

1—垮落带 2—断裂带 3—弯曲下沉带

4 结 论

从相似材料模拟的结果得知:1) 超过一个老顶来压步距,后方的原老顶在其运动增加的情况下会变成直接顶，该处的老顶继续向上位岩层发展。2) 在厚煤层大倾角情况下老顶岩梁成“倒阶梯状”沿倾向向上发展。3) 大倾角煤层倾向长壁工作面老顶结构发生明显运动的区域主要处于倾斜上部，支架上方老顶结构的运动过程是一个相对稳定的运动过程。4) 沿工作面倾斜方向中、上部区域内 “三带”特征明显，且层位较高；而下部区域的顶板岩层形成的层位较低或不明显[3]。5) 工作面推进到一定距离后，采场覆岩下沉呈“不对称偏态漏斗型”。

参 考 文 献

[1]解盘石,伍永平,王红伟,等.大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究[J].煤炭科学技术,2012,40(9):1-5.

[2]芭 蕾.海勃湾矿业公司路天煤矿综采放顶煤相似材料模拟试验研究[D].包头:内蒙古科技大学,2010.

[3]蒲文龙.大倾角厚煤层开采技术研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2005.