孔文

【摘要】為研究堅(jiān)硬頂板綜采工作面在切眼頂板預(yù)裂條件下的覆巖移動規(guī)律，以山西凌志達(dá)煤礦15101工作面為研究對象，采用相似模擬的研究方法，對15101工作面直接頂破斷、基本頂初次破斷、基本頂周期性破斷規(guī)律進(jìn)行模擬研究，再現(xiàn)了覆巖裂隙場的發(fā)育過程，得出了工作面頂板垮落特征及頂板垮落帶和裂縫帶“兩帶”高度等，為工作面礦壓及頂板管理提供了相應(yīng)的參考。

【關(guān)鍵詞】堅(jiān)硬頂板；頂板預(yù)裂；覆巖移動；相似模擬

Analog Simulation Study on the condition of hard roof open-off cuts pre-splitting in fully mechanized working face

KONG Wen

(Fangzhuang No.1 Coal Mine, Henan Coal Chemical Industry Group Co.,Ltd, Jiaozuo Henan, 454003, China)

【Abstract】In order to study the overburden strata movement on the condition of open-off cuts pre-splitting in large mining height fully mechanized working face with hard roof, taking 15101 working face of Lingzhida coal mine in Shanxi province as the object, research the rule of work face immediate roof broken, main roof first broken, main roof periodic broken，reproduction process of overburden strata fracture field by the method of similar simulation, study of collapsing characteristic of hard roof ，the roof caving zone and fractured zone height is measured, and it can provid reference for the working face of underground pressure control and roof management.

【Key words】Hard roof；Roof pre-splitting；Overburden strata movement；Similar simulation

0前言

凌志達(dá)煤礦15101工作面基本頂K2灰?guī)r厚度為5.75~8.93m，且抗壓強(qiáng)度達(dá)到133.8MPa，屬于典型的堅(jiān)硬巖層，為防止頂板懸露面積過大，必須采取切眼預(yù)裂措施[1-2]。切眼淺孔預(yù)裂后，在垂直應(yīng)力的作用下，覆巖結(jié)構(gòu)演化呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，采用相似模擬試驗(yàn)方法研究深部煤層開采上覆巖層裂隙場的演化過程，具有直觀性、可操作性等特點(diǎn)，它直觀顯現(xiàn)了工作面推進(jìn)過程中，圍巖裂隙場發(fā)育的狀態(tài)[3-4]。

1地質(zhì)概況

15101工作面所采的15號煤層位于太原組下部，上距K2石灰?guī)r0-3.00m。煤層穩(wěn)定全區(qū)可采。頂板為炭質(zhì)泥巖或泥巖，底板為泥巖或炭質(zhì)泥巖，柱狀圖如下圖1。

基本頂：K2灰?guī)r，厚度為5.75~8.93m，深灰色，中厚層狀，含生物碎屑，方解石，致密堅(jiān)硬；

直接頂：泥巖，厚度為0.6~2.0m：黑色、質(zhì)地較密；

偽頂：炭質(zhì)泥巖，厚度為0.05~0.2m，黑色，質(zhì)地松軟，隨采隨落；

底板：泥巖及黃鐵礦泥巖，平均厚度12.88m，黑色,含黃鐵礦，有黃金色碎屑。

2模型配比及制作

凌志達(dá)礦井15101綜采工作面采用走向長壁一次采全高采煤法，設(shè)計(jì)采高為3.8m，工作面走向長為2240m，傾向長為175m，埋深為290m。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M工作面沿走向方向推進(jìn)，選取模擬支架的規(guī)格為2.5m×1.4m×2.0m(長×高×寬)。

2.1模型配比

依據(jù)物理相似模擬原理，并結(jié)合現(xiàn)場情況，選取的模擬材料為砂、石膏再與水有一定的配比攪拌來模擬巖層；用云母粉來模擬層面和節(jié)理裂隙[5-6]。相似模擬材料配比如表1所示。

表1模型相似材料配比

2.2模型開采設(shè)計(jì)

為了減少邊界條件的影響，左右邊界上分別留設(shè)了30m的煤柱，在模型上沿橫向布置4條測線，每條測線上共11個測點(diǎn)，間距0.15m，每個測點(diǎn)上都貼上反光紙如圖2所示。

圖2模型設(shè)計(jì)圖

測點(diǎn)布置如表2，整個開挖過程用全站儀來觀察工作面覆巖運(yùn)移情況，同時用數(shù)碼相機(jī)跟蹤拍照，記錄工作面覆巖變形、破斷及垮落情況。

表2位移測點(diǎn)布置

3頂板垮落特征分析

模型從切眼開始，進(jìn)行切眼的放頂，然后開挖，共經(jīng)歷了基本頂K2石灰?guī)r的初次垮落，四個周期性垮落，具體的試驗(yàn)過程和現(xiàn)象如下：

（1）留煤層保護(hù)煤柱30cm（現(xiàn)場為30m），切眼大致8m（現(xiàn)場為8m），進(jìn)行頂板的預(yù)裂放頂模擬，由設(shè)計(jì)的放頂方案可知放頂?shù)母叨葹镠=13.15cm（現(xiàn)場為13.5m），可貫穿頂板堅(jiān)硬的K2灰?guī)r，寬度約為2cm（現(xiàn)場為2m），具體如下圖3。

圖3切眼放頂模型

（2）模擬開挖，煤層上方約0.9cm（現(xiàn)場為0.9m）的偽頂泥巖隨采隨落，上面的基本頂K2灰?guī)r變化不大，當(dāng)模擬開挖36cm(現(xiàn)場推進(jìn)36m)時，煤層頂板6.78m厚的K2灰?guī)r層（亞關(guān)鍵層）整體呈梯形狀發(fā)生初次垮落。由于切眼處經(jīng)過放頂預(yù)裂，煤層的頂板成了懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂板初次垮落后，向采空區(qū)方向傾斜垮落，正好如下圖所示。同時上方模擬2.1m厚的泥巖和2.1m厚的砂質(zhì)泥巖伴隨著堅(jiān)硬K2灰?guī)r層隨之垮落，整體垮落的高度為11.88cm（現(xiàn)場為11.88m），煤壁側(cè)冒落角為67°，預(yù)留煤柱側(cè)冒落角為70°，模擬試驗(yàn)垮落圖如圖4。

圖4老頂頂初次垮落

（3）當(dāng)模擬開挖到58.5cm（相當(dāng)現(xiàn)場為58.5m）時，煤層上方的K2灰?guī)r及上覆軟巖層發(fā)生第一次周期性垮落，垮落巖塊長度26.2cm。煤壁側(cè)冒落角為62°，預(yù)留煤柱側(cè)冒落角為70°，上覆的砂質(zhì)泥巖層也隨之垮落，分層現(xiàn)象出現(xiàn)，垮落特征圖如圖5。

圖5第一次周期垮落特征圖

（4）當(dāng)模擬開挖到106cm（相當(dāng)現(xiàn)場為106m）時，煤層上方的K2灰?guī)r及上覆軟巖層發(fā)生第三次周期性垮落，斷裂線在煤壁前方4cm出（現(xiàn)場為4m），垮落巖塊長度27.5cm。K2灰?guī)r上方的12.5cm和14.6cm處（現(xiàn)場即12.5m和14.6m）出現(xiàn)裂隙，裂隙帶和彎曲下沉帶不斷增大。煤壁側(cè)冒落角為62°，預(yù)留煤柱側(cè)冒落角為68°，具體垮落特征圖如圖6所示。

（５）隨著工作面不斷推進(jìn)，頂板出現(xiàn)分層次垮落現(xiàn)象，K2灰?guī)r和上方的泥巖先冒落，無序的堆積在采空區(qū)，上方較堅(jiān)硬的中粒砂巖巖層以上的覆巖一般呈整體移動，且?guī)r層一般不再破裂，只是在自重作用下產(chǎn)生的法向彎曲，形成彎曲下沉帶。工作面上覆巖層逐漸冒落、變形、離層，巖層重量逐漸由采空區(qū)冒落矸石承擔(dān)，離層逐漸被壓實(shí)如下圖7所示。

圖6第三次周期垮落特征圖

圖7頂板垮落特征圖

4結(jié)論

采用相似模擬試驗(yàn)對堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂條件下綜采工作面覆巖移動規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1）工作面經(jīng)過切眼放頂后，煤層的頂板成了懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂板初次垮落后，向采空區(qū)方向傾斜垮落，K2灰?guī)r初次垮落步距為58.5m，周期來壓步距平均為22.5m；

（2）工作面C9層泥巖以下為垮落帶，約為15m，而該巖層以上為裂隙帶；

（3）K2灰?guī)r垮落后其上軟巖層分段冒落，垮落厚度約為3~4倍采高；隨開采不斷進(jìn)行，工作面前方煤壁的冒落角和采空區(qū)一側(cè)煤壁的冒落角變化不大。

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［責(zé)任編輯：湯靜］