吳俊達(dá) 閆奮前 武守鑫

（1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

近距離煤層是指在井田開采范圍內(nèi)兩煤層間距離較近，開采過程中相互之間存在顯著影響的煤層[1]。許多研究學(xué)者采用數(shù)值模擬、理論計(jì)算等方法對近距離煤層開采過程中的覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了大量研究[2-3]。孫曉明等[4]得出近距離煤層多工作面開采后，沿空側(cè)相應(yīng)的圍巖結(jié)構(gòu)動態(tài)演化規(guī)律。魯巖等[5]研究了近距離煤層群覆巖破斷規(guī)律。綜合已有的研究，采用相似材料模擬試驗(yàn)對近距離煤層開采過程中的覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。

1 煤層賦存條件

新元礦主采煤層為10煤和11煤，層間距為13m，以砂質(zhì)泥巖為主。10煤厚4.0～6.0m，平均5m；11煤厚1.0～3.0m，平均2m，兩煤層傾角均小于8°。

2 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)臺的尺寸為：長1.9m、寬0.22m、高1.8m。

模型材料選為骨料和膠結(jié)料，骨料為普通河沙，粒徑小于1.5mm，膠結(jié)料由石灰和石膏組成，分層材料選用云母粉(模擬巖石層理結(jié)構(gòu))。試驗(yàn)沿煤層的走向布置8條測線，測線編號由下至上依次為1～8，測線縱向間距為10cm。96個位移測點(diǎn)在橫向上以10cm為間隔布置在測線上，試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)分布如圖1所示。

開采10煤時，在模型左、右邊界各留取15cm煤柱，設(shè)計(jì)在距模型左邊界15cm處為切眼，從左向右逐漸推進(jìn)，當(dāng)10煤開采結(jié)束且上覆巖層趨于穩(wěn)定后，再對11煤進(jìn)行開采。設(shè)計(jì)工作面每次推進(jìn)5cm，相當(dāng)于實(shí)際推進(jìn)5m。利用數(shù)碼相機(jī)對煤層開采過程中覆巖運(yùn)動破壞及位移變化狀況進(jìn)行拍照及觀測，采用鋼尺測量并記錄每個觀測點(diǎn)的位移變化。

圖1 模型測線及位移測點(diǎn)布置設(shè)計(jì)圖

3 上層煤開采覆巖運(yùn)動及位移變化規(guī)律

3.1 覆巖運(yùn)動規(guī)律

試驗(yàn)由上層煤開始開采，逐步向前推進(jìn)，最終開采到停產(chǎn)線處結(jié)束。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，直接頂?shù)某醮蝸韷簽?5cm，垮落形態(tài)呈現(xiàn)出“梯形空間”，其兩側(cè)垮落角分別為52°、55°，垮落高度7cm，基本頂?shù)某醮蝸韷簽?0m，分別如圖2（a）和圖2（b）所示，且在垮落過程中可見上覆巖層明顯的離層現(xiàn)象，見圖2（c）；隨著工作面逐漸推進(jìn)，又不斷出現(xiàn)了離層、懸頂?shù)痊F(xiàn)象，可以認(rèn)為，當(dāng)推進(jìn)到90cm時，巖層發(fā)生了大規(guī)模的彎曲下沉,并最終形成采空區(qū)上覆巖層的垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，如圖2（d）所示。

3.2 位移變化規(guī)律

針對試驗(yàn)的覆巖位移變化，試驗(yàn)共布設(shè)有8條位移測點(diǎn)，分別為測線1～8，具體布設(shè)位置及編號可見圖2。針對位移變化規(guī)律，由于測點(diǎn)及測點(diǎn)呈現(xiàn)出極強(qiáng)的規(guī)律性，因此在此不再一一進(jìn)行描述，僅選取具有代表性的進(jìn)行分析研究。對3～5號測線整體進(jìn)行位移測線的動態(tài)記錄，繪制如下的整體位移曲線。

由圖3可知，當(dāng)上層煤開采結(jié)束時，隨著上覆巖層的持續(xù)垮落，采空區(qū)的不斷擴(kuò)大，位移變化的測點(diǎn)也不斷增多，測線整體形狀由此前的“V”形逐漸轉(zhuǎn)為“U”形。

圖2 工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

圖3 3～5號測線位移變化圖

4 下層煤開采覆巖運(yùn)動及位移變化規(guī)律

4.1 覆巖運(yùn)動規(guī)律

當(dāng)上煤層開采結(jié)束且上覆巖層趨于穩(wěn)定后，開始對下煤層進(jìn)行開采。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在工作面推進(jìn)到30cm時，上覆巖層破碎度增加，直接頂發(fā)生初次垮落，而垮落形態(tài)也同樣呈現(xiàn)出“梯形空間”，其兩側(cè)垮落角為70°，如圖4（a）所示。在工作面持續(xù)推進(jìn)到40cm時，兩煤層之間的泥巖全部垮落并且與上層煤上方已經(jīng)垮落的頂板結(jié)構(gòu)貫通，同時也引起了上層煤上方巖層二次垮落，如圖4（b）所示。隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層出現(xiàn)大規(guī)模彎曲垮落現(xiàn)象，而裂隙不斷向上發(fā)育擴(kuò)展，垮落高度也進(jìn)一步增高，如圖4（c）所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到80cm時，位于采空區(qū)上覆巖層中部的裂隙與離層也進(jìn)一步壓實(shí)閉合，最終形成了采動裂隙壓實(shí)閉合區(qū)，如圖4（d）所示。

圖4 工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

4.2 位移變化規(guī)律

上層煤開挖后，上覆巖層已垮落，因此當(dāng)下層煤繼續(xù)開挖時，上覆巖層是在之前垮落的基礎(chǔ)上繼續(xù)下沉，因此其位移變化亦是建立在之前位移之上。對于下層煤的覆巖位移，同樣選擇具有代表性的幾條測線，而不是全部加以分析，在此仍對3～5號測線進(jìn)行分析，三條測線的位移型態(tài)曲線可見圖5。

圖5 3～5號測線位移變化圖

根據(jù)圖5可知，與上層煤三條測線形態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，整體變化類似，均呈現(xiàn)出中部位移變化大、兩邊位移變化小的規(guī)律，并且位移變化規(guī)律曲線形狀也均呈現(xiàn)出由“V”型轉(zhuǎn)為“U”型。

5 結(jié) 論

（1）在下煤層開采過程中，由于煤層間距較近，兩煤層間的巖層破斷垮落，上層煤采空區(qū)上方相對穩(wěn)定的巖層造成了二次失穩(wěn)垮落，致使巖層裂隙向上不斷發(fā)育、垮落高度增大。

（2）通過位移變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，兩煤層位移變化均呈現(xiàn)出中部位移變化大、兩邊位移變化小的規(guī)律，且位移變化規(guī)律曲線形狀呈現(xiàn)出由“V”型轉(zhuǎn)為“U”型。