浅埋深薄基岩下开采覆岩运动与矿压规律相似模拟研究

刘剑

（鄂尔多斯市能源局，内蒙古 鄂尔多斯 017010）

神东矿区煤层赋存埋藏浅、基岩薄，基岩多为坚硬粉砂岩，基岩上覆为厚松散覆盖层，厚度在5～80m 不等，煤层顶板岩层的稳定性较差。近年开采表明，煤层开采引起工作面上覆浅埋薄基岩切落形成剧烈的矿山压力显现[1]，导致工作面液压支架压死、水砂溃入工作面，不利于煤矿的安全生产[2]。本文以李家塔煤矿2-2中煤层首采工作面为背景，用相似模拟实验的研究手段对浅埋深薄基岩煤层开采覆岩运动及矿压显现规律进行研究，探索该矿浅埋薄基岩煤层上覆岩层破断机理及破断规律。

一、煤层地质条件分析

（一）工程地质概况

李家塔煤矿2-2中煤层层厚为0～4.78m，平均厚度3.78m。2-2中煤层顶底板岩性为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，层状岩类中等型。

2-2中煤层首采工作面煤层埋深在60～130m 左右，基岩厚度在15～40 m 左右，上覆松散层厚度在20～80m 左右。工作面煤层顶板直接顶为泥岩，层厚4.37m、老顶为粉砂岩，层厚为22.82m；直接底为砂质泥岩，层厚为5.08m、老底为砂岩，层厚为6.5m。

（二）煤岩物理力学参数

李家塔煤矿2-2中煤层上覆岩层发育较多的水平层理、裂隙和滑面等结构，RQD 平均50～75%，岩石质量中等（III），各岩层组岩石物理力学参数见表1。

表1 2-2 中煤层上覆岩层岩石物理力学参数

二、相似模拟实验研究

（一）模拟实验设计

按照1：200 的比例建立模型架进行相似模拟实验，模型力学参数见表1。模拟工作面从切眼到推进方向500m 范围的回采过程、覆岩破坏及地表下沉移动规律。模型沿工作面推进方向剖面示意见图1 所示。

图1 相似模拟模型沿工作面推进方向剖面示意图

（二）模拟实验研究方法

1.模拟支架与动态数据收集系统

相似模拟实验中采用了液压支架的模拟模型，模型支架初撑力具有与原型相似的力学特性。为了监测上覆岩层对液压支架的影响，采用动态载荷智能数据采集系统，由计算机自动采集。

2.覆岩移动测点布置

在实验模型上覆岩层中布置了两排位移测点，分别距离煤层顶板24cm、50cm，在采空区正上方布置5 个地表下沉测点。模型设计工作面推进距离是250cm，对应实际推进距离500m。测点的具体布置见图2。

图2 模型测点布置示意图

（三）模拟实验结果及分析

1.实验过程及分析

（1）冒落带

实验模型右侧开切眼，当工作面推进到20m，直接顶冒落。推进到64m 时，老顶初次来压。推进到88m 时老顶周期来压。推进到156m 时，老顶逐渐形成铰接结构，垮落带的高度为33m 左右。

（2）裂隙带

实验模型工作面推进到258m 时，上覆岩层裂隙发育至煤层顶板75m 处。当推进到274m 时，裂隙在垂直方向上贯穿基岩，裂隙带的高度为80m。推进到360m 时，采空区上方的地表出现明显下沉现象，由地表向下出现垂向裂隙，发育深度增加约40m，直至砂砾层。随着工作面继续推进，地表下沉范围持续扩大。

2.上覆岩层及地表下沉规律

对实验模型在上覆岩层中布置的第一排测点的下沉数据分析中可以看出，工作面推进前40m，上覆岩层的下沉量变化不大，推进到60m 时初次来压，上覆岩层下沉速度急剧增大。推进至300m，在距离开切眼位置60m 到200m 范围内的采空区上覆岩层下沉量最大，最大可达3500mm，且随着工作面的推进，最大下沉量不再增加，说明此处岩层已基本达到最大下沉值，同时也说明冒落岩体具有碎胀性，导致覆岩下沉值小于煤层开采厚度。第二排测点的下沉数据分析看出，当推进到180m-200m 时，只有测点8 下沉量最大，接近1800mm。从地表测点下沉数据可以看出，工作面推进的前100m，地表下沉不明显，随着工作面推进到1500m 时，地表下沉量达到最大，约为800mm。

3.工作面支护阻力分析

（1）支架初撑力

实验模型支架初撑力监测数值如表2 所示，大部分模型支架的初撑力都在5800kN 以上，与原型液压支架实际初撑力分布情况一致。

表2 工作面初撑力分布频率

（2）支架工作阻力

实验模型支架工作阻力与工作面推进距离关系如图10 所示，可知工作面初次来压前液压支架的工作阻力变化不明显，未达到液压支架的额定工作阻力，同时实验中没有观察到明显的上覆岩层破坏，说明此时老顶岩层具有一定的自持性，未发生破断。随着工作面向前推进，支架工作阻力呈现周期性变化。由实验模型支架工作阻力分布频率如表3 可知，在工作面两次来压，工作面支架的工作阻力小于其额定工作阻力，此时液压支架的工作阻力是在初撑力与额定工作阻力之间。当老顶来压时，支架处于额定工作阻力状态。

图10 支架工作阻力与工作面推进距离

表3 工作面支架工作阻力分布频率

三、结论

本文运用相似模拟的方法，研究了李家塔煤矿2-2中煤层在浅埋深、薄基岩、厚黄土层的条件下，受采动影响厚上覆岩层破断变形规律，工作面推进过程中上覆岩层裂隙贯通和垮落情况及工作面液压支架工作阻力变化，通过分析实验结果，可以得到以下结论：

（1）煤层开采后，其上覆岩层破断后形态主要表现为垮落带和裂隙带，无弯曲下沉带。垮落带高度为33m 左右，是工作面采高的6 倍左右，裂隙带贯通上覆岩层直至地表。

（2）工作面回采过程中，工作面老顶初次来压步距约为64m，周期来压步距20m。

（3）工作面未来压时，工液压支架的工作阻力小于其额定工作阻力，此时液压支架的工作阻力是在初撑力与额定工作阻力之间。当老顶来压时，支架处于额定工作阻力状态。