徐小奔，胡祖祥，邢立奮，郝學(xué)

(1.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室， 安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232001；3.山西平遙縣興盛煤化有限責(zé)任公司， 山西 平遙 031100)

0 引言

隨著綜采工作面的不斷推進(jìn)，頂板懸露面積越來越大，上覆巖層產(chǎn)生彎曲變形[1-4]，當(dāng)彎曲變形超過一定程度時，上覆巖層發(fā)生位移甚至坍塌[5-6]。為了保證礦井安全生產(chǎn)，有必要對煤層開采過程中上覆巖層位移特征進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[7]通過物理相似模擬得出了頂板巖層及黏土隔水層在開采影響下的位移、裂隙發(fā)展和開采范圍的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]采用相似材料模擬的方法，研究了特厚煤層分層開采條件下斷層受到的影響和覆巖移動發(fā)育規(guī)律。文獻(xiàn)[9-10]對不同地質(zhì)條件下來壓規(guī)律和覆巖位移過程進(jìn)行了研究，得出了煤層開采時上覆巖層的來壓規(guī)律和“三帶”位移分布。文獻(xiàn)[11]采用相似模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，研究了大傾角煤層變角度綜放工作面開采覆巖運移規(guī)律。文獻(xiàn)[12-14]采用理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測等方法，研究了工作面尺寸、煤層傾角和開采厚度對覆巖位移的影響。本文以淮南謝橋礦1232(1)綜采工作面為背景，利用相似模擬方法研究了煤層開采時工作面上覆巖層位移過程及特征，可為該煤層巷道支護(hù)提供參考依據(jù)。

1 工作面概況

淮南謝橋礦1232(1)綜采工作面位于西翼C組采區(qū)11-2煤層西翼三階段，地面標(biāo)高+20.5～+29.5 m，工作面標(biāo)高-540.6～-604.3 m，工作面傾斜長約154 m。煤層平均傾角為13°，密度為14 kg/m3，平均厚度為2.49 m。該工作面煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.32 m，呈灰色或深灰色；上覆承重巖層為較硬的細(xì)砂巖，平均厚度為6.24 m，呈灰色或淺灰色，泥質(zhì)膠結(jié)；煤層底板為泥巖，平均厚度為2.35 m。

2 相似模擬實驗設(shè)計

2.1 相似常數(shù)及材料配比

根據(jù)謝橋礦煤層賦存情況，采用細(xì)砂、石膏、石灰作為相似材料的主要成分，通過不同配比來模擬堅硬、較硬和軟弱巖層。根據(jù)式(1)計算各模擬巖層材料質(zhì)量，相似材料配比見表1。

G=Lbhγp

(1)

式中：G為模擬巖層材料質(zhì)量；L為模擬巖層長度；b為模擬巖層寬度；h為模擬巖層厚度。

2.2 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

以謝橋礦地層資料為參考，厚度0.5 m及以上的巖層采用分層模擬，厚度小于0.5 m的巖層與鄰近巖層合并綜合模擬，按照巖層分層鋪設(shè)相似材料，得到相似模擬實驗?zāi)Ｐ?，如圖1所示。模型尺寸為420 cm×200 cm×25 cm(長×高×寬)，模型架四周和后面采用鋼板封閉并固定，模型架前面采用20 mm厚透明有機玻璃。為觀察在煤層開采過程中覆巖移動變形規(guī)律，在模型表面布置位移監(jiān)測點，如圖2所示。

表1 相似材料配比

圖1 相似模擬實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖2 位移監(jiān)測點布置

2.3 實驗過程

模型制作后干燥7 d左右，拆去模型前后擋板，后面留設(shè)2根保護(hù)槽鋼，標(biāo)注煤層及巖層位置和相應(yīng)標(biāo)高，并測定模型中巖層含水率，待巖層含水率與材料配比實驗的含水率相同時進(jìn)行開采，距邊界110 m處掘進(jìn)開切眼，留有0.5 m厚的頂煤，隨后按4 m/h的速度向前推進(jìn)。利用全站儀對各監(jiān)測點坐標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，通過對監(jiān)測點原始坐標(biāo)和開采過程中監(jiān)測點坐標(biāo)對比，得到各監(jiān)測點的位移變化。

3 實驗結(jié)果分析

工作面推進(jìn)至距開切眼50 m時，直接頂出現(xiàn)初次來壓，上覆巖層裂隙分布特征和垂直位移分別如圖3、圖4所示。從圖3可看出，上覆巖層斷裂并向下方采空區(qū)垮落，垮落帶高度為10.5 m，垮落角為68°，垮落的巖層呈層狀結(jié)構(gòu)，無規(guī)則地堆積在采空區(qū)內(nèi)，垮落巖層與上方巖層出現(xiàn)較大空隙，垮落巖石破碎充分，連通率較高，無斷裂帶出現(xiàn)。從圖4可看出，開切眼后方40 m至工作面煤壁前方30 m范圍內(nèi)上覆巖層受采動影響；在開切眼后方和煤壁前方上覆巖層均表現(xiàn)為向上的垂直位移，這是由兩端巖層向中間擠壓造成的；采空區(qū)上覆巖層表現(xiàn)為向下的垂直位移，并在距開切眼前方水平距離20 m處垂直位移最大；隨著距煤層距離的增大，上覆巖層垂直位移逐漸減小，在距煤層11.54 m時，上覆巖層垂直位移峰值為0.07 m。

圖3 工作面推進(jìn)至距開切眼50 m時上覆巖層裂隙分布特征

圖4 工作面推進(jìn)至距開切眼50 m時上覆巖層垂直位移

工作面推進(jìn)至距開切眼100 m時，上覆巖層出現(xiàn)第5次周期來壓，平均推進(jìn)10～15 m周期來壓1次，上覆巖層裂隙分布特征和垂直位移分別如圖5、圖6所示。從圖5可看出，垮落帶高度為13.45 m，垮落角為65°，導(dǎo)水裂隙帶高度(即垮落帶和斷裂段高度之和)為37 m，垮落帶和斷裂帶出現(xiàn)斷層；垮落帶巖石破碎較為充分，連通率較高；斷裂帶巖層出現(xiàn)少量向上發(fā)育的豎向破斷裂隙和向兩端發(fā)育的離層裂隙，裂隙向四周延伸，未能全部貫通。從圖6可看出，開切眼后方40 m至工作面煤壁前方20 m范圍內(nèi)上覆巖層受采動影響；距開切眼前方水平距離40 m處上覆巖層垂直位移最大，向兩端逐漸減小，垂直位移曲線基本上呈對稱分布；隨著距煤層距離的不斷增大，上覆巖層垂直位移不斷減小，在距煤層11.54 m時，上覆巖層垂直位移峰值達(dá)2.1 m。

圖5 工作面推進(jìn)至距開切眼100 m時上覆巖層裂隙分布特征

圖6 工作面推進(jìn)至距開切眼100 m時上覆巖層垂直位移

工作面推進(jìn)至距開切眼160 m時，上覆巖層裂隙分布特征和垂直位移分別如圖7、圖8所示。從圖7可看出，垮落帶高度為17.5 m，垮落角為68°，斷裂帶高度為31.78 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為49.28 m；煤層開采波及到上方13煤層，原有上覆巖層結(jié)構(gòu)全部失穩(wěn)。從圖8可看出，開切眼后方40 m至工作面煤壁前方40 m范圍內(nèi)上覆巖層受采動影響；距開切眼前方水平距離80 m處巖層垂直位移最大，向兩端逐漸減小，垂直位移曲線基本上呈對稱分布；隨著距煤層距離的不斷增大，上覆巖層垂直位移不斷減小，在距煤層11.54 m時，上覆巖層垂直位移峰值達(dá)2.35 m。

圖7 工作面推進(jìn)至距開切眼160 m時上覆巖層裂隙分布特征

圖8 工作面推進(jìn)至距開切眼160 m時上覆巖層垂直位移

4 結(jié)論

(1) 隨著綜采工作面不斷推進(jìn)，垮落角基本保持不變，垮落帶和斷裂帶高度逐漸增大，上覆巖層受采動影響不斷增大。

(2) 上覆巖層垂直位移峰值基本位于采空區(qū)中部，向兩端逐漸減小，垂直位移曲線基本上呈對稱分布；隨著綜采工作面推進(jìn)距離增大，垂直位移峰值不斷增大；隨著距煤層距離的增大，上覆巖層垂直位移不斷減小。