張建超+雷明安

摘 要：針對(duì)長(zhǎng)安煤礦4-2煤層埋深淺、煤層厚的開采技術(shù)條件，為了研究在河流下綜放開采的可行性，以該礦4113工作面為實(shí)際工程背景，運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)工作面開采過(guò)程中的覆巖移動(dòng)和破壞情況進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)得出了工作面頂板垮落步距、覆巖“三帶”變形和破壞特征，分析確定了導(dǎo)水裂隙帶的高度。

關(guān)鍵詞：綜放開采；淺埋煤層；導(dǎo)水裂隙帶；相似材料模擬

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.092

1 引言

我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量豐富、分布廣泛，在一次能源消耗中占主導(dǎo)地位。我國(guó)是煤炭產(chǎn)出和消費(fèi)大國(guó)，根據(jù)目前的社會(huì)發(fā)展形勢(shì)和工業(yè)需求，煤炭的需求將穩(wěn)中求升。但是，煤炭資源屬的日益減少，加之其不可再生的本質(zhì)，越來(lái)越不能滿足我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，煤炭將成為緊缺能源。在我國(guó)煤炭資源日益緊張和的受水影響的煤炭資源比重日漸加大的形勢(shì)下，安全開采受水威脅的煤炭資源既是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的需要也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要。陜西是我國(guó)的煤炭生產(chǎn)大省，地區(qū)煤層普遍具有厚度大、埋深淺的特點(diǎn)，煤炭開發(fā)條件優(yōu)勢(shì)十分明顯。淺埋深、厚煤層的開采特點(diǎn)對(duì)于水體下安全開采提出了新的挑戰(zhàn)和新的要求。

2 模型建立

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)象

4-2煤層埋藏深度為146～192m，煤層平均厚度8m，傾角為2.4°～8.6°，平均3.1°，4113工作面走向長(zhǎng)1713.31m，傾斜長(zhǎng)180m，推進(jìn)速度平均6m/d，采出率85%。第四紀(jì)黃土層厚度4m，煤層偽頂為0.9m厚的泥巖，直接頂為3.6m厚的細(xì)粒砂巖，基本頂為5m厚的粗粒砂巖；基本底為7.38m厚的泥巖；煤層為低中灰、富硫、低磷、無(wú)粘結(jié)性、強(qiáng)結(jié)渣、高熱值的富有煤。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

實(shí)驗(yàn)采用平面應(yīng)力模型，比例尺為1：200。設(shè)計(jì)模型高度為80cm～95cm，長(zhǎng)度300cm，寬度20cm。

本次試驗(yàn)參數(shù)按物理量成比例原則，取值如下：

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

在模型上布置4條位于煤層上方的水平觀測(cè)線，從下往上依次為觀測(cè)線A、觀測(cè)線B、觀測(cè)線C和觀測(cè)線D，觀測(cè)線A距離煤層10cm，觀測(cè)線B距離觀測(cè)線A為20cm，觀測(cè)線C距離觀測(cè)線B為20cm，觀測(cè)線D距離觀測(cè)線C為20cm；每條觀測(cè)線上布置14個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在模型地表安裝了14個(gè)位移監(jiān)測(cè)百分表，間距為20cm，用來(lái)觀察地表下沉量。測(cè)點(diǎn)布置示意圖見圖1。

2.4 模型制作

基巖采用石英砂作為骨料，石膏和大白粉作為膠結(jié)劑；土層采用粘土和石英砂作為骨料。經(jīng)計(jì)算得到各分層所需要的材料。在模型鋪設(shè)過(guò)程中，整個(gè)基巖部分以1cm鋪設(shè)，壓制后作節(jié)理與分層處理。模型采用自然風(fēng)干，按照時(shí)間相似比進(jìn)行開挖。

3 過(guò)程簡(jiǎn)述

模型總長(zhǎng)3m，兩邊各留0.3m邊界煤柱，開采長(zhǎng)度為2.4m（實(shí)際為480m）。擬定開采高度為8m，觀測(cè)8m采高覆巖裂隙發(fā)育高度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)定開采步距為每天50cm（實(shí)際為100m）。最終觀測(cè)時(shí)間在模擬開采停采5天后進(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 “三帶”發(fā)育狀況

當(dāng)工作面推進(jìn)到100m時(shí)，直接頂初次垮落，冒落帶高度10.8m。當(dāng)工作面推進(jìn)到130m時(shí)，基本頂初次垮落，冒落帶高度為26m。當(dāng)工作面推進(jìn)到160m時(shí)，基本頂周期性垮落，垮落步距為30m，垮落巖層高度為46m，其上覆巖層出現(xiàn)離層，高度為50m。當(dāng)工作面推進(jìn)到280m時(shí)，基本頂周期性垮落，垮落巖層高度發(fā)育為68m（觀測(cè)線B處），其上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象，離層高度距底板116m（觀測(cè)線C與觀測(cè)線D之間），快發(fā)育到地表。當(dāng)工作面推進(jìn)到320m時(shí)，基本頂周期性垮落，距底板116m的離層區(qū)已經(jīng)閉合，說(shuō)明離層區(qū)上方巖層緩慢下沉，地表出現(xiàn)3條裂縫，小河溝處為閉裂縫、小河溝左側(cè)48m處出現(xiàn)張裂縫，小河溝右側(cè)62m處出現(xiàn)一條張裂縫。當(dāng)工作面推進(jìn)到480m時(shí)，到達(dá)停采線位置，由試驗(yàn)可得出，冒落帶高度為26m（冒高比為3.25），導(dǎo)水裂隙帶高度為116m（裂高比為14.5），地表出現(xiàn)6條裂縫，開切眼處巖層破斷角為55°，工作面覆巖周期性巖層破斷角為49°～54°。

4.2 巖層觀測(cè)線移動(dòng)情況

開采模型穩(wěn)定后，在模型全景圖上按照實(shí)際尺寸對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行下沉素描。經(jīng)過(guò)測(cè)算，觀測(cè)線A上的觀測(cè)點(diǎn)最大下沉值為6.409m，觀測(cè)線B上的觀測(cè)點(diǎn)最大下沉值為4.243m，觀測(cè)線C上的觀測(cè)點(diǎn)最大下沉值為3.462m，觀測(cè)線D上的觀測(cè)點(diǎn)最大下沉值為2.68m。

5 結(jié)論

通過(guò)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)4113工作面在淺埋深、大采高綜放開采條件下的覆巖破壞進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）煤層上覆巖層在開采過(guò)程中移動(dòng)和破壞特征明顯，較為明顯地形成“三帶”，即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。

（2）當(dāng)開采高度為8m時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為116m（裂高比為14.5），導(dǎo)水裂縫帶的發(fā)育高度不會(huì)與地表河流導(dǎo)通，可以進(jìn)行安全回采。

（3）對(duì)地表下沉量進(jìn)行觀測(cè)，得出地表最大下沉值為2680mm，位于河溝附近，地表雖出現(xiàn)裂縫和下沉，但并未與導(dǎo)水通道貫通。

參考文獻(xiàn)

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