陳海波,　曹仁舉

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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厚夾矸煤層綜放開采巖層移動的相似模擬

陳海波,曹仁舉

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

針對綜放開采技術(shù)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜煤層中應(yīng)用效果不理想的情況,通過相似模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜厚煤層綜放開采時厚夾矸層、頂煤及頂板巖層的移動特征。結(jié)果表明:含厚夾矸層厚煤層頂煤冒放性較差,其位移顯著增加的位置更接近于煤壁;頂煤破碎受夾矸層厚度的影響較大,夾矸層達(dá)到一定厚度，頂煤放出效果不理想，直至不能放出。開采模擬觀測和實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)論基本一致。該研究為擴(kuò)大放頂煤安全高效開采范圍提供了參考。

巖層移動; 綜放開采; 夾矸; 厚煤層; 相似模擬

(School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

我國開灤、兗州、大同、潞安等礦區(qū)厚煤層儲量較豐富,其中,賦存條件好的厚煤層采用綜放開采的方式實(shí)現(xiàn)了安全高效生產(chǎn),并獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,但是,存在厚夾矸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜厚煤層,采用綜放開采時,其技術(shù)可行性,頂煤冒放性受夾矸層影響的程度,夾矸層能夠放出的最大厚度,以及頂煤、頂板的移動規(guī)律尚難以確定,且相關(guān)研究也不夠深入[1]。為此,筆者利用相似模擬理論研究含厚夾矸煤層綜放開采時的頂煤、頂板巖層移動規(guī)律,以期為擴(kuò)大放頂煤安全高效開采范圍提供參考。

1　工程地質(zhì)概況與相似實(shí)驗(yàn)原理

1.1工程地質(zhì)概況

1.2相似實(shí)驗(yàn)原理

2429S工作面相似材料模擬實(shí)驗(yàn)以相似理論為基礎(chǔ),要求模型與工作面原型全部物理量相同,且物理本質(zhì)一致,二者的區(qū)別僅是各物理量的大小比例不同。原巖應(yīng)力場要求實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工作面原型必須滿足物理相似、幾何相似、時間相似及邊界條件相似[2-12]。其實(shí)質(zhì)就是,根據(jù)相似原理,按照一定的研究條件,采用相似材料制成以某一比例縮小原工作面的模型,之后模擬真實(shí)開采情況下模型中的煤層,并觀測模型中煤層上部頂煤、頂板巖層在開采過程中發(fā)生的移動、變形和破壞,以分析實(shí)際工作面煤層上覆巖層移動和破壞規(guī)律。

2　相似模擬實(shí)驗(yàn)選材與建模

實(shí)驗(yàn)選擇細(xì)砂、石灰和石膏為相似材料,其中細(xì)砂為骨料,石灰和石膏為膠結(jié)材料。通過大量不同配比實(shí)驗(yàn)測試試塊強(qiáng)度,確定實(shí)驗(yàn)相似材料的配比。以巖石單向抗壓強(qiáng)度作為模型各巖層參數(shù)選取的主要相似物理量,且其他各物理量要相似,其中,幾何相似常數(shù)為50,容重相似常數(shù)為1.6,應(yīng)力相似常數(shù)為80,時間相似常數(shù)為7.07。由相似常數(shù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗拥奈锢砹W(xué)參數(shù),見表1。其中,V1∶V2為骨料與膠結(jié)料的體積比,V1∶V3為細(xì)砂與石灰的體積比。

表1巖層相似材料配比與物理力學(xué)參數(shù)

Table 1Ingredient of similar materials and mechanics parameter of strata

實(shí)驗(yàn)臺的尺寸為1 600 mm×280 mm×1 200 mm,選用平面應(yīng)力模型。因礦區(qū)應(yīng)力場主要是重力場,故實(shí)驗(yàn)僅考慮重力和移動邊界條件,由模型架約束邊界移動。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途鶉?yán)格按各層的實(shí)際厚度鋪設(shè),模型總厚度為990 mm,其中,夾矸層采用逐漸增厚的方式鋪設(shè),其厚度為3.64～5.56 cm,平均4.6 cm。

在模型表面設(shè)置100 mm×100 mm的正方形方格網(wǎng),布置縱向位移觀測線11條,橫向位移觀測線8條,觀測線的交叉點(diǎn)設(shè)為位移觀測點(diǎn);在模型底部安設(shè)了11個壓力盒作為壓力測點(diǎn),采用7v14數(shù)據(jù)采集器來自動采集壓力盒數(shù)據(jù)。模型布置如圖1所示。

圖1　綜放工作面相似模擬模型布置

Fig. 1Similar simulation model layout of fully-mechanized caving mining

3　結(jié)果與討論

3.1實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果

為消除邊界效應(yīng),以符合現(xiàn)場實(shí)際,回采時在模型右側(cè)留設(shè)30 m的邊界效應(yīng)范圍。按照2429S工作面開采初期平均日進(jìn)4刀,每刀0.5 m,日進(jìn)尺約2 m,最大推進(jìn)度增加到日進(jìn)尺3 m,模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初采為4 cm,隨工作面向前推進(jìn)逐漸加快推進(jìn)速度。

隨著模擬工作面的開采,當(dāng)推進(jìn)到與開切眼相距14 m時,夾矸層初次垮落,其垮落形態(tài)為梯形,厚度為0.95 m,塊度不大,夾矸層上的兩個位移觀測點(diǎn)被破壞,上部煤層受夾矸層的影響,只出現(xiàn)離層。工作面繼續(xù)向前推進(jìn),夾矸層的厚度較小,隨采隨冒,頂煤隨之冒落,但因受夾矸層的阻擋,頂煤的垮落塊度逐漸增大。當(dāng)推進(jìn)至與開切眼相距23.5 m時,直接頂初次來壓,來壓步距為23.5 m。此時,夾矸層的厚度達(dá)到1.1 m,垮落塊度較大,影響放頂煤,這與理論分析結(jié)論一致[13],故含厚夾矸煤層開采時其極限厚度為1.1 m。工程實(shí)踐表明[14-15],夾矸層極限厚度為1.1 m以下的綜放開采方案是可行的。當(dāng)模擬工作面推進(jìn)至與開切眼相距27.5 m時,基本頂垮落,發(fā)生初次來壓,初次來壓步距為27.5 m,如圖2所示。這時,夾矸層由于厚度過大形成懸臂梁或呈大塊垮落而形成對頂煤的隔離帶,頂煤不能正常放出。基本頂巖層全厚為8.5 m,垮落高度為4.6 m,未全部垮落,但在垮落基本頂上部開始出現(xiàn)明顯的裂隙,并產(chǎn)生水平和垂直位移,隨采隨垮。

圖2　工作面基本頂初次來壓Fig. 2　Main roof to pressure first time at face

當(dāng)工作面又向前推進(jìn)了13 m后,采空區(qū)基本頂再次垮落,厚度為3.9 m,即采空區(qū)基本頂全部垮落,與上覆巖層產(chǎn)生離層,離層高度最大處達(dá)1 m以上。當(dāng)工作面推進(jìn)至與開切眼相距47.5 m時,基本頂?shù)谝淮沃芷趤韷?步距為20.0 m,如圖3所示,比現(xiàn)場實(shí)測的平均周期來壓步距大3.4 m。分析其原因是,上位頂煤和頂板巖層的移動和破碎受厚夾矸層的影響,基本頂周期來壓步距變大。由此可知,基本頂每次來壓時,未全部垮落,而是隨著工作面向前推進(jìn),隨時垮落,上部巖層出現(xiàn)緩慢下沉。

圖3　工作面基本頂周期來壓Fig. 3　Main roof cycle pressure at face

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.2.1頂?shù)装逯С袎毫Ψ植?/p>

通過7v14數(shù)據(jù)采集器采集到了相似模擬實(shí)驗(yàn)各測點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù),得到了煤巖層不同位置的支承壓力(p)的分布情況。回采推進(jìn)至距開切眼20、25和45 m位置處的支承壓力變化曲線如圖4所示,其中，l為工作面測點(diǎn)距煤壁距離。

圖4　距開切眼20、25、45 m時底板支承壓力分布

Fig. 4Bottom bearing pressure distribution to open-off cut 20, 25, 45 m away

由圖4可以看出,隨著工作面向前繼續(xù)推進(jìn),工作面前方測點(diǎn)的支承壓力逐漸升高,在工作面推進(jìn)至距測點(diǎn)后方2～3 m時,測點(diǎn)的支承壓力達(dá)到峰值,支架推移過該測點(diǎn),其支承壓力瞬間下降到最低點(diǎn),之后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),該測點(diǎn)的壓力有少量升高,這是由于上覆巖層垮落和再壓實(shí)引起應(yīng)力重新分布而造成的。三個測點(diǎn)的壓力峰值,呈逐漸升高的趨勢,距開切眼45 m測點(diǎn)的壓力峰值最高,距開切眼25 和45 m兩個測點(diǎn)的位置分別與基本頂初次來壓和周期來壓位置基本一致,驗(yàn)證了模擬開采過程基本頂初次來壓和周期來壓步距的準(zhǔn)確性。

圖5為基本頂來壓時支承壓力走向分布情況，其中，l1為壓力測點(diǎn)距開切眼距離。由圖5可知,模擬開采基本頂初次來壓和周期來壓時,工作面前方2～3 m范圍內(nèi)支承壓力達(dá)到峰值,與模擬開采過程分析得出的基本頂來壓顯現(xiàn)規(guī)律相一致。

圖5　基本頂來壓時支承壓力走向分布

Fig. 5Support pressure distribution of main roof to pressure

3.2.2頂板巖層與頂煤位移

分析位移實(shí)測數(shù)據(jù),得到上覆巖層的水平位移(s1)與垂直位移(s2)。距開切眼40 m處直接頂和基本頂測點(diǎn)的位移如圖6所示。由圖6可知,上覆巖層移動方向不定,可沿工作面推進(jìn)正反兩個方向發(fā)生水平位移。上覆巖層水平位移受巖層層位影響,上位巖層的水平位移小,層位越低,水平位移越大。在采空區(qū)范圍內(nèi),上覆巖層水平位移向工作面推進(jìn)的反方向移動,達(dá)到最大值后,又開始向工作面推進(jìn)方向移動。

圖6　上覆巖層水平、垂直位移

Fig. 6Horizontal displacement and vertical displacement of overlying rock

對比圖6a、6b可知,工作面后方上覆巖層的垂直與水平位移隨工作面的推進(jìn)不斷增加,直接頂?shù)奈灰拼笥诨卷數(shù)奈灰?層位越低,位移越大。距煤壁6～12 m范圍的采空區(qū)后方上覆巖層,垂直位移與水平位移開始顯著增加,直到巖層破斷跨落后達(dá)到最大位移。

圖7給出了距開切眼40 m處頂煤測點(diǎn)的水平位移和垂直位移,由圖可知,上位頂煤在支架上方開始有較明顯的水平位移,其位置比不含夾矸頂煤推后5～7 m,更接近煤壁,且水平位移的方向與工作面推進(jìn)方向相反,而后逐漸增大,在工作面后方5～6 m的位置,隨頂煤的放出,水平位移達(dá)最大值,不再變化。與上位頂煤的水平位移相對比,上位頂煤的垂直位移也是在支架上方較明顯,其位移略小于水平位移。但在放頂煤時,其垂直位移則明顯大于水平位移,頂煤被放出后,垂直位移達(dá)最大值,不再變化。這與現(xiàn)場實(shí)測的頂煤位移規(guī)律[14]基本相符。

圖7　頂煤水平位移和垂直位移

Fig. 7Horizontal displacement and vertical displacement of top coal

4　結(jié)　論

(1)含夾矸層厚煤層頂煤移動顯著增加的位置在工作面支架上方,比不含夾矸單一結(jié)構(gòu)厚煤層綜放開采更接近于煤壁,故其頂煤冒放性相比較差,實(shí)際生產(chǎn)中可通過支架的反復(fù)支撐作用破壞夾矸層,以增大頂煤的冒放性。

(2)當(dāng)夾矸層厚度小于1.1 m時,頂煤冒放性不受夾矸層垮落塊度的影響,能順利放出,但頂煤垮落塊度增大較明顯。夾矸層厚度增大到1.1 m以后,夾矸層出現(xiàn)大塊垮落,不能在放煤口放出夾矸,且相互鉸接的大塊厚夾矸形成隔離帶,阻擋頂煤放出,厚夾矸層最終成懸臂梁,頂煤不能放出。

(3)開采模擬觀測和實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)論基本一致。研究結(jié)果為類似條件煤層開采提供借鑒,進(jìn)一步擴(kuò)大了放頂煤安全高效開采范圍。

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(編輯荀海鑫)

Similar simulation on strata movement of fully-mechanized caving mining in thick coal seam with thick dirt band

CHENHaibo,CAORenju

Aimed at improving the performance of the fully mechanized caving mining technology, as in the case of structurally complex coal seams, this paper, based on similarity simulation experiment, investigates movement characteristics of thick dirt band, top coal, and roof rock with structurally complex thick coal seam subjected to fully mechanized caving mining. Research shows that: thick coal seam with thick dirt band shows a more sublevel caving; position with significantly increased displacement gets much closer to the coal wall; and the top coal breaking is subjected more to thickness of dirt band, so that, in the case of dirt band of a certain thickness, sublevel caving is found to occur with little or no effect. Mining simulation observation analysis is basically consistent with measured data analysis. This study may provide a reference for the safe and efficient expansion of sublevel caving mining area.

strata movement; fully-mechanized caving mining; dirt band; thick coal seam; similar simulation

2013-10-24

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12511482)

陳海波(1972-),男,黑龍江省五大連池人,副教授,碩士,研究方向:礦床開采理論與技術(shù),E-mail:chenhaibo8@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.06.003

TD823.49

1671-0118(2013)06-0514-05

A