薄基岩特厚煤层综放开采相似模拟试验研究

夏青森，刘 飞，龚 鹏，邓瑞刚，吴 杰，姚 建

(1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

薄基岩特厚煤层综放开采相似模拟试验研究

夏青森1，刘 飞1，龚 鹏2，邓瑞刚1，吴 杰1，姚 建1

(1.宿州学院资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

目的 薄基岩特厚煤层综放开采中许多科学问题急需研究；许多宝贵经验需要总结；煤炭开采后关键层的破断变形规律、地表移动与变形规律、工作面矿压规律与自然发火之间的关系等技术问题急需研究与探讨。方法 以某煤田资源开采地质条件为背景，建立薄基岩特厚煤层综放开采相似模拟模型。结果 对回采过程中工作面周期来压步距、影响范围、地表沉陷特征、基本顶破断规律等关键问题进行系统研究。结论 基本顶周期垮落步距约为18cm，且呈大小交替的周期变化；随工作面推进，采空区岩层堆积角层呈周期性变化，呈阶梯状斜向采空区发展；根据关键层判定特征，初步可判定6#煤层上方7.8～21.3m的基本顶岩层为F6203工作面的主关键层。

薄基岩；综放；相似模拟；覆岩变形

0 引 言

1990年以前，随着国内能源需求增速加快，煤矿安全生产状况呈恶劣态势，造成大量人员伤亡和重大经济损失。1990年以后，国家相继采取一系列措施加强安全生产工作，加大安全监管力度，煤矿安全生产状况总体上出现好转，然而并不稳定。2014某矿业集团煤矿发生巷道坍塌事故，20人被堵井下，造成1人死亡、1人失踪的惨痛事故。随着开采深度的增加，深部开采工程中“三高一扰动”[1～3]引起的问题愈发严重，伤亡事故也随之频频发生，同时造成了巨大的经济损失。因此薄基岩特厚煤层综放开采覆岩变形的规律研究对于煤矿安全生产具有重大意义。薄基岩特厚煤层综放开采许多科学问题急需研究，许多宝贵经验需要总结。部分煤矿开采煤层埋藏较浅，顶板基岩较薄，开采厚度较大[4]，导致地表变形移动幅度大，下沉明显，裂缝大而深，开采引起的地表急剧下沉和宽大裂缝，对环境破坏大[5,6]，安全隐患严重。这不仅破坏环境，而且存在向井下漏风与溃水可能，易产生煤层自燃或突水事故。

利用相似试验[7,8]深入研究薄基岩特厚煤层综放开采覆岩变形规律，不仅可以延长矿井安全生产，尽快改善矿区人民的生存条件和生态环境，而且对保障社会稳定、促进经济发展有着不可置疑的重大现实意义。

1 相似模拟理论(the similar simulation theory)

相似试验是以相似理论为基础的模型试验技术，利用事物或现象间存在的相似或类似等特征[9]来研究自然规律。特别适用于那些难以用理论分析方法获取结果的研究领域，同时也是一种用于对理论研究结果进行分析和比较的有效手段。

实质上模型(ˊ)和原型(〞)之间满足下列6个基本相似条件：

(1)几何相似

模型与原型几何尺寸满足：

式中，Cl代表相似常数(以下同)。

(2)运动相似

模型与原型在几何相似的基础上，保证对应时刻相似：

(3)应力相似模型材料的应力应变曲线应该与原型岩体对应相似，有：

Cp=Cr·Cl,Cσ=Cr·Cl·Cμ=1

式中Cγ为容重比。

(4)动力相似

对动力学相似系统，每一系统应该满足牛顿第二定律：

由此可推出：

(5)外力相似

主要指加载值与原型顶板受力相似：

(6)初始条件及边界条件相似

2 试验方案设计

2.1 试验设备

本次相似模拟试验采用中国矿业大学自主设计平面模型试验台(见图1a)进行模型铺设开挖试验，使用YE-2539高速静态应变仪(见图1b)记录埋设压力盒数据在开采过程中的变化，用数码摄像技术观测岩层位移变化，使用水压加载系统对上覆岩层加压，数字图像分析部分则使用中国矿业大学自主设计开发的“数字照相量测实用软件系统PhotoInfor”[10]软件。

(a)平面模型试验装置图 (b)YE-2539高速静态应变仪

2.2 相似模型参数

模拟地层的取舍原则：

①模型的分层铺设厚度为1cm，对于模拟的地层厚度小于0.3m应综合取舍；

②岩性接近的地层综合，取加权平均的岩性参数；

③对岩层(坚硬、软弱岩层)界面应严格确定。

2.3 测试方法及测点布置

本次试验，使用松散颗粒材料模拟顶部裂隙发育煤层、其他各岩层所用相似材料不变进行铺设模型，通过观测在综放开采过程中基本顶破断形态、上覆岩层的垮落角、超前影响角、堆积角、极限跨距和离层情况等，进行薄基岩特厚煤层综放开采覆岩变形分析。压力测点、位移测线布置如图2所示，回撤通道之间煤柱中布置2个压力盒，编号为A1、A2，上覆岩层中布置两排压力盒，下面一排从左到右编号B1～B8，上面一排编号C1～C8。

图2 测点测线布置图

3 基本顶破断结构变形分析

本次试验通过PhotoInfor图像处理软件进行岩层位移追踪分析，根据图像像素点坐标进行计算，输出结果通过像素坐标和实际坐标换算，测量得出模型图像宽度2590pixel，相当于模型实际宽度138cm，进行位移处理。网格划分如图3所示。

如图4所示，此时工作面推进至距模型左边界31m，上覆岩层发生初次垮落，基本顶破断距离为21cm，垮落角约为71 °。位移变形主要集中在垮落部分，垮落带上方岩层位移虽有变化，但变化很小，且在移架后，散体颗粒材料模拟的顶煤层开始滑落，使上覆岩层沿顶煤破断角垮落。

图3 网格划分图

如图5所示，开挖至距模型左边界57.7cm时，基本顶第三次垮落，破断处距模型左边界53.6cm，此时岩层破坏仍未发育到地表，但离层发育较明显。通过位移矢量云图可以发现，此时上覆岩层开始出现发育至地表的弯曲下沉，但下沉量较小。

继续开挖至距模型左边界79.4cm，如图6所示，基本顶第四次垮落，破断处距模型左边界为75.8cm，垮落角约74 °，上覆岩层垮落至地表，“三带”显现明显，此时形成一个直接贯穿至地表的大裂缝带，使工作面严重漏风，采空区CO超标，影响工作面安全生产。通过位移矢量云图，可以看出位移矢量方向斜向左下方，上方岩层位移较下部岩层相差较大，由此可见工作面上覆岩层有明显弯曲下沉，但垮落未稳定。

(a)模型变形图 (b)位移矢量云图

(a)模型变形图 (b)位移矢量云图

(a)模型变形图 (b)位移矢量云图

整体来看，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，下部岩层破碎程度越大，上部岩层破碎程度较小，主要表现为弯曲下沉。由于采高较大，工作面上覆岩层有明显台阶下沉。经测量，工作面推至距模型左边界34cm、46.4cm、57.7cm、79.4cm、106.3cm、122.1cm，基本顶分别发生第一至第六次垮落，第四次开始出现垮落至地表的裂隙，“三带”显现明显，基本顶周期垮落距离分别为21cm、14.4cm、18.2cm、18.2cm、25.7cm、14.2cm，垮落步距呈大小交替周期变化。

4 结 论

以某煤田资源开采地质条件为背景，建立薄基岩特厚煤层综放开采相似模拟模型，对回采过程中工作面周期来压步距、影响范围、地表沉陷特征、基本顶破断规律等关键问题进行系统研究得出以下结论：

(1)基本顶周期垮落步距约为18cm，且呈大小交替的周期变化。

(2)与工作面的距离超过50cm，采空区上覆岩层基本可达稳定状态，且各岩层下沉量基本一致；随工作面推进，采空区岩层堆积角层呈周期性变化，最大约为29 °，岩层破断呈阶梯状斜向采空区发展。

(3)根据关键层判定特征，初步可判定6#煤层上方7.8～21.3m的基本顶岩层为F6203工作面的主关键层。

[1]杜计平,孟宪锐.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009：20-123.

[2]何满潮,谢和平,彭苏萍,等.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16)：2804-2813.

[3]罗勇,陶文斌,陶杰.深井高应力软岩巷道锚注机理与应用[J].煤矿安全,2015,46(05)：160-163.

[4]任耀,李晓辉,姜敏.特厚煤层综放开采地表移动规律实测研究[J].采矿技术,2012,12(03)：65-68.

[5]郑志刚,滕永海.综放开采地表移动与建筑物变形规律分析[J].煤炭科学技术,2010,38(05):114-124.

[6]刘文岗.浅埋大采高综采工作面矿压显现特征及顶板灾害机理分析[J].煤矿开采,2011,16(05):73-80.

[7]王志国,周宏伟,谢和平.深部开采对覆岩破坏移动规律的实验研究[J].实验力学,2008,23(06):503-510.

[8]王怀文,周宏伟,左建平,等.光测方法在岩层移动相似模拟实验中的应用[J].煤炭学报,2006,31(03):278-281.

[9]肖杰.相似材料模型试验原料选择及配比试验研究[D].北京：北京交通大学,2013.

[10]李元海,贾冉旭,杨苏.基于岩土渐进变形特征的数字散斑相关优化分析法[J].岩土工程学报,2015,37(08):1490-1496.

[责任编辑：刘守义 英文编辑：刘彦哲]

Similar Simulation Experiment of Fully Mechanized Top Coal Caving Mining Extra of Thick Coal Seam

XIA Qing-sen1,LIU Fei1,GONG Peng2,DENG Rui-gang1,WU Jie1,YAO Jian1

(1.School of Resources and Civil Engineering,Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China)

Objective Many scientific problems of thin bedrock special thick seam fully mechanized still remain to be discussed and many valuable lessons need to summarize.The technological problems,such as breakage of key strata after coal mining deformation,surface movement and deformation law,mine pressure regularity and the relationship between the spontaneous combustion,are in urgent need of research and discussion.Methods Based on the background of mining geological conditions of coal resources,a similar simulation model of fully-mechanized mining of thin bedrock specially thick coal seam was established.Results It conducted the systematic research on key problems such as periodic pressure,influence scope,characteristics of surface subsidence and basic roof breaking law in the process of mining coal face.Conclusion Periodic caving distance of basic roof was about 18 cm the size had changes with an alternating cycle;with the advance of working face,the accumulation of strata in goaf angle of the layer changed periodically,developing toward the mined out area with ladder oblique;according to the judgment of the key layer characteristics,it could initially conclude that the main key stratum of basic roof of F6203 working face was 7.8 m～21.3 m above 6# coal seam.

thin bedrock;fully mechanized caving;similar simulation;deformation of overlying strata

国家自然科学基金项目(51074163)；国家自然科学基金重点项目(50834005)；2015年宿州区域发展协同创新中心学生开放课题(2015SZXTXSKF10)

夏青森(1992-)，男，安徽滁州人，宿州学院资源与土木工程学院在读学生，研究方向：地下工程结构。

刘飞(1989-)，男，江苏宿迁人，硕士，助教，研究方向：地下工程结构。

TD823.4+9；TD

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.01.009

来稿日期：2016.06.15