近距离煤层下行开采覆岩运移规律试验研究

吴俊达 闫奋前 武守鑫

（1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400）

近距离煤层是指在井田开采范围内两煤层间距离较近，开采过程中相互之间存在显著影响的煤层[1]。许多研究学者采用数值模拟、理论计算等方法对近距离煤层开采过程中的覆岩运移规律进行了大量研究[2-3]。孙晓明等[4]得出近距离煤层多工作面开采后，沿空侧相应的围岩结构动态演化规律。鲁岩等[5]研究了近距离煤层群覆岩破断规律。综合已有的研究，采用相似材料模拟试验对近距离煤层开采过程中的覆岩运移规律进行了系统性研究。

1 煤层赋存条件

新元矿主采煤层为10煤和11煤，层间距为13m，以砂质泥岩为主。10煤厚4.0～6.0m，平均5m；11煤厚1.0～3.0m，平均2m，两煤层倾角均小于8°。

2 相似模拟试验设计

试验采用二维相似材料模拟实验平台，实验台的尺寸为：长1.9m、宽0.22m、高1.8m。

模型材料选为骨料和胶结料，骨料为普通河沙，粒径小于1.5mm，胶结料由石灰和石膏组成，分层材料选用云母粉(模拟岩石层理结构)。试验沿煤层的走向布置8条测线，测线编号由下至上依次为1～8，测线纵向间距为10cm。96个位移测点在横向上以10cm为间隔布置在测线上，试验监测点分布如图1所示。

开采10煤时，在模型左、右边界各留取15cm煤柱，设计在距模型左边界15cm处为切眼，从左向右逐渐推进，当10煤开采结束且上覆岩层趋于稳定后，再对11煤进行开采。设计工作面每次推进5cm，相当于实际推进5m。利用数码相机对煤层开采过程中覆岩运动破坏及位移变化状况进行拍照及观测，采用钢尺测量并记录每个观测点的位移变化。

图1 模型测线及位移测点布置设计图

3 上层煤开采覆岩运动及位移变化规律

3.1 覆岩运动规律

试验由上层煤开始开采，逐步向前推进，最终开采到停产线处结束。根据试验结果，直接顶的初次来压为35cm，垮落形态呈现出“梯形空间”，其两侧垮落角分别为52°、55°，垮落高度7cm，基本顶的初次来压为50m，分别如图2（a）和图2（b）所示，且在垮落过程中可见上覆岩层明显的离层现象，见图2（c）；随着工作面逐渐推进，又不断出现了离层、悬顶等现象，可以认为，当推进到90cm时，岩层发生了大规模的弯曲下沉,并最终形成采空区上覆岩层的垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，如图2（d）所示。

3.2 位移变化规律

针对试验的覆岩位移变化，试验共布设有8条位移测点，分别为测线1～8，具体布设位置及编号可见图2。针对位移变化规律，由于测点及测点呈现出极强的规律性，因此在此不再一一进行描述，仅选取具有代表性的进行分析研究。对3～5号测线整体进行位移测线的动态记录，绘制如下的整体位移曲线。

由图3可知，当上层煤开采结束时，随着上覆岩层的持续垮落，采空区的不断扩大，位移变化的测点也不断增多，测线整体形状由此前的“V”形逐渐转为“U”形。

图2 工作面推进距离关系图

图3 3～5号测线位移变化图

4 下层煤开采覆岩运动及位移变化规律

4.1 覆岩运动规律

当上煤层开采结束且上覆岩层趋于稳定后，开始对下煤层进行开采。根据试验结果，在工作面推进到30cm时，上覆岩层破碎度增加，直接顶发生初次垮落，而垮落形态也同样呈现出“梯形空间”，其两侧垮落角为70°，如图4（a）所示。在工作面持续推进到40cm时，两煤层之间的泥岩全部垮落并且与上层煤上方已经垮落的顶板结构贯通，同时也引起了上层煤上方岩层二次垮落，如图4（b）所示。随着工作面推进，上覆岩层出现大规模弯曲垮落现象，而裂隙不断向上发育扩展，垮落高度也进一步增高，如图4（c）所示。当工作面推进到80cm时，位于采空区上覆岩层中部的裂隙与离层也进一步压实闭合，最终形成了采动裂隙压实闭合区，如图4（d）所示。

图4 工作面推进距离关系图

4.2 位移变化规律

上层煤开挖后，上覆岩层已垮落，因此当下层煤继续开挖时，上覆岩层是在之前垮落的基础上继续下沉，因此其位移变化亦是建立在之前位移之上。对于下层煤的覆岩位移，同样选择具有代表性的几条测线，而不是全部加以分析，在此仍对3～5号测线进行分析，三条测线的位移型态曲线可见图5。

图5 3～5号测线位移变化图

根据图5可知，与上层煤三条测线形态对比发现，整体变化类似，均呈现出中部位移变化大、两边位移变化小的规律，并且位移变化规律曲线形状也均呈现出由“V”型转为“U”型。

5 结 论

（1）在下煤层开采过程中，由于煤层间距较近，两煤层间的岩层破断垮落，上层煤采空区上方相对稳定的岩层造成了二次失稳垮落，致使岩层裂隙向上不断发育、垮落高度增大。

（2）通过位移变化规律发现，两煤层位移变化均呈现出中部位移变化大、两边位移变化小的规律，且位移变化规律曲线形状呈现出由“V”型转为“U”型。