史文豹，常聚才，李 彥，殷志強(qiáng)，李 冬

(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.淮南師范學(xué)院機(jī)械與電氣學(xué)院，安徽 淮南 232001)

堅硬頂板綜放工作面是屬于厚煤層開采方式，采高較大，且覆巖為堅硬巖層，隨工作面的回采難以及時自然跨斷冒落，易于形成大面積懸頂，當(dāng)其跨斷冒落時往往會產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊能量，進(jìn)而可能誘發(fā)沖擊地壓以及工作面液壓支架急速下縮直至壓架事故的發(fā)生[1-2]。為此，眾多專家學(xué)者針對堅硬頂板破斷運移特征進(jìn)行了大量研究，成果包括各種大空間采場巖層結(jié)構(gòu)模型[3]、堅硬厚層頂板群結(jié)構(gòu)的破斷沖擊效應(yīng)[4]、堅硬頂板條件下大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等[5-7]。而在堅硬頂板弱化管理方面，超前深孔預(yù)裂爆破技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用[8-9]，但針對堅硬頂板綜放開采工作面超前深孔預(yù)裂爆破效果往往采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場礦壓數(shù)據(jù)等方法進(jìn)行研究，往往不夠直觀，其爆破后覆巖運移特征特征與爆破前的區(qū)別難以直觀有效的明確，因此本文以中國永隴礦區(qū)招賢煤礦1307堅硬頂板工作面煤層開采為研究背景，采用物理相似模擬試驗方法，對比研究常規(guī)回采條件與頂板弱化管理后采場覆巖運移破斷特征，為后續(xù)巨厚堅硬頂板綜放工作面安全高效開采及礦壓控制提供實驗依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

招賢煤礦1307工作面位于井田首采區(qū)東南翼，東面為未開采區(qū)，南面以梨家溝村保護(hù)煤柱為界，西面為北翼帶式輸送機(jī)大巷，北面緊鄰麥里溝向斜，地表標(biāo)高為1 393.2～1 471.4m。工作面回采侏羅紀(jì)延安組3煤層，煤層傾角3°～17°不等，平均傾角9°，工作面回采范圍內(nèi)全煤厚為4～15m，平均厚度10.33m。煤層硬度系數(shù)2～4；覆巖賦存有多層堅硬頂板，其中砂質(zhì)巖性巖層占90%～95%，多以粉砂巖、細(xì)砂巖、中粗粒砂巖為主，頂板巖層堅硬完整，頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 1307工作面煤層及頂?shù)装鍘r層綜合柱狀圖

2 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

2.1 頂板弱化模擬設(shè)計

現(xiàn)場實施深孔預(yù)裂爆破軟化頂板技術(shù)主要在于通過不同水平距離扇形布置的爆破孔對煤層頂板覆巖進(jìn)行爆破，多爆破孔在爆破區(qū)域內(nèi)形成的破壞應(yīng)力波和高壓氣體的相互疊加，使得爆破孔一定范圍內(nèi)裂隙的擴(kuò)展與貫通，進(jìn)而實現(xiàn)煤層頂板堅硬巖層整體性的物理弱化[10]；基于此，在采場相似模擬試驗過程中，可以采用巖層中添加豎直放置的塑料薄片方式對采場頂板堅硬巖層進(jìn)行弱化，用以模擬采場覆巖深孔預(yù)裂爆破弱化頂板，為此，首先通過三點彎斷裂試驗分析塑料薄片放置前后對試塊強(qiáng)度弱化的影響，試塊長×寬×高=100mm×50mm×50mm，試塊如圖2所示，三點彎曲斷裂荷載-位移曲線如圖3所示。由圖2可知，弱化前后的試樣三點彎曲斷裂的平均峰值荷載分別為6.98kN和2.32kN，試樣斷裂的的峰值載荷降低至約30%，表明試樣中部埋入一半厚度的薄片可以模擬堅硬巖層弱化效果。

(a)未弱化試塊 (b)塑料薄片弱化后試塊圖2 弱化對比試塊

圖3 試塊弱化前后三點彎曲斷裂荷載-位移曲線

2.2 相似模擬試驗?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到現(xiàn)場回采是采用綜放開采的形式對煤層進(jìn)行回采，結(jié)合實驗室條件和本次試驗研究的內(nèi)容，本次相似模擬試驗主動減少了放煤步驟，對采高實現(xiàn)一次采出(采出率按照80%[11-12])，幾何相似比為Cl=Lp/Lm=100，動力比例系數(shù)為Cγ=Cp=ρp/ρm=1.7，應(yīng)力相似比為Cσ=σP/σm=Cl×Cγ=170。同時為實現(xiàn)頂板弱化對比，增設(shè)了一臺相同材料模型，模型老頂采用一定措施進(jìn)行強(qiáng)度弱化，常規(guī)采場覆巖與弱化采場覆巖分別為工況一和工況二。實驗室相似模擬選用平面應(yīng)力實驗平臺，模型長×寬×高=3.0m×0.03m×1.3m，即模擬巖層高度為130m，其余上覆巖層按照重量補(bǔ)償載荷進(jìn)行加載實現(xiàn)，因其工作面埋深平均約590m，模型上方采用配重塊進(jìn)行加載模擬上覆巖層重量，重量約為528kN，模擬模型、位移測點布置方案如圖4所示，同時三維靜態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)對相似模擬試驗過程中位移變化監(jiān)測。三維靜態(tài)變形監(jiān)測系統(tǒng)采用近景攝影測量技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實現(xiàn)變形過程中物體表面位移及應(yīng)變的測量，并且兼容單相機(jī)二維測量。

圖4 相似模型

頂板具體弱化措施：依據(jù)基本頂理論，需要模擬弱化的堅硬巖層如圖5所示。在實際工作面推進(jìn)過程中，工作面周期來壓步距越小對液壓支架的工作壓力越小，初步弱化步距選擇為20m/次，弱化范圍至2煤底板，相當(dāng)于工作面上方30m范圍內(nèi)，每層巖層從開切眼位置每20m弱化一次；弱化材料為有機(jī)透明塑料片，提前根據(jù)模型攤鋪巖層高度及寬度進(jìn)行合理尺寸裁剪，即2cm(3cm)×30cm；塑料片立放，垂直于工作面推進(jìn)方向，長邊一半埋入攤鋪巖層中，層層依次布設(shè)，當(dāng)模型干燥成型后，從模型背后將預(yù)埋塑料片抽出，從而實現(xiàn)對相應(yīng)巖層的弱化處理。

圖5 相似模擬頂板弱化位置示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 采場覆巖宏觀冒落特征

圖6所示為工況一條件下工作面回采過程中頂板破斷冒落特征。工作面推進(jìn)75m時工作面出現(xiàn)初次冒落，從整體頂板破斷特征分析，采空區(qū)覆巖周期跨斷存在大小周期跨斷特征，其中工作面推進(jìn)至110m時發(fā)生第一次小周期跨斷，而工作面推進(jìn)到140m時發(fā)生第二次周期來壓，其垮落步距約為小周期覆巖破斷的兩倍。

圖6 常規(guī)條件下不同推進(jìn)距離覆巖變形破斷特征

圖7所示為工況二條件下工作面回采過程中頂板破斷冒落特征。采空區(qū)覆巖在工作面推進(jìn)至55m時完成初次冒落，周期跨斷步距約14m；同時工作面推進(jìn)85m時在采場上覆巖層25m處出現(xiàn)離層，而隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，采場上覆巖層中出現(xiàn)的離層逐漸消失。說明采用頂板弱化技術(shù)后，采場覆巖及時跨斷冒落充填采空區(qū)，防止采空區(qū)產(chǎn)生大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。

圖7 頂板弱化后不同推進(jìn)距離覆巖變形破斷特征

結(jié)合表1對比分析兩臺相似模擬采場覆巖垮落宏觀特征，受頂板弱化影響，采場覆巖初次跨斷步距由70m明顯縮小為35m，平均周期來壓步距由25m縮減至14m左右，同時消除了更高位堅硬巖層受下位巖層斷裂冒落聯(lián)動跨斷形成大周期跨斷現(xiàn)象，跨斷冒落的巖塊尺度較小，更有利于對采空區(qū)充填。由此可得，采用頂板弱化管理后，工作面覆巖垮落塊度、初次壓力步距、周期來壓步距等均有極大的改善，冒落巖塊能夠及時有效的充填滿采空區(qū)，可以有效的避免了采場更上覆堅硬頂板隨下位跨斷冒落巖層突然斷裂形成強(qiáng)沖擊來壓現(xiàn)象，可以有效地保證工作面安全高效回采。

表1 1307工作面常規(guī)回采和頂板弱化后回采參數(shù)表

3.2 工作面回采期間覆巖變形移動規(guī)律

通過選取測線2處巖層各點的位移數(shù)據(jù)，記錄了工況一條件下工作面上覆30m處巖層的變形移動規(guī)律如圖8所示。工作面推進(jìn)至110m時，工作面上方30m處巖層垂直移動量出現(xiàn)大幅度增加。當(dāng)工作面推進(jìn)140m時，采空區(qū)30m處巖層位移再次出現(xiàn)臺階整體下沉現(xiàn)象，造成40m以上高位堅硬巖層在工作面推進(jìn)140m時隨其下位巖層跨斷冒落而斷裂下沉，進(jìn)行形成第二次周期跨斷現(xiàn)象，該現(xiàn)象在工作面推進(jìn)至220m時再次發(fā)生。最大下沉值為6.8m。

(a)工作面上方30m (b)工作面上方40m圖8 常規(guī)工作面回采覆巖彎曲下沉變形規(guī)律

通過物理切縫模擬超前深孔預(yù)裂頂板實現(xiàn)對綜放工作面頂板弱化管理后，根據(jù)測線2和3可知工作面上覆30m和40m處巖層彎曲下沉變形規(guī)律，如圖9所示。工作面上方30m和40m處巖層隨著工作面回采其變形規(guī)律大致相同，工作面推進(jìn)55m完成初次來壓，隨著工作面推進(jìn)90m、160m、 220m時， 工作面上方30m和40m處巖層開始出現(xiàn)彎曲變形下沉， 其垂直位移最大值分別約為3.86cm和3.78cm。

(a)工作面上方30m

(b)工作面上方40m圖9 堅硬頂板弱化后工作面回采頂板彎曲下沉變化規(guī)律

綜上所述，采用頂板弱化后1307綜放工作面上覆30m、40m處的巖層下沉趨勢基本保持一致，隨著工作面回采采空區(qū)覆巖及時垮落，垮落高度小于30m，采空區(qū)上方30m以上巖層會產(chǎn)生一定的彎曲下沉變形，從而及時有效的消除采空區(qū)空頂空間，實現(xiàn)整體覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；而常規(guī)工作面回采，受堅硬頂板影響，其覆巖運移破斷顯示出大小周期破斷運移特征。

4 結(jié)論

(1)常規(guī)條件下堅硬頂板綜放開采覆巖宏觀破斷特征呈現(xiàn)出“大小周期”復(fù)合破斷現(xiàn)象，且不同高度巖層破斷下沉呈現(xiàn)明顯時滯性，垮落巖塊整體性較大，有明顯二次破斷裂隙特征，覆巖冒落高度約52m，會顯著影響工作面的安全回采。

(2)堅硬頂板弱化管理后，工作面覆巖初次跨斷步距明顯縮小，不同高度巖層整體協(xié)調(diào)性下沉，冒落及時，垮落塊度普遍小于5m，垮落巖石碎脹程度較高，，能夠有效的實現(xiàn)對采空區(qū)空間的充實。

(3)本次試驗直觀展現(xiàn)了工作面覆巖堅硬頂板弱化管理前后覆巖運移破斷特征，并表明采用超前頂板弱化技術(shù)可以有效改善堅硬頂板厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)特征，及時有效的實現(xiàn)對采空區(qū)空間的充填，避免煤層回采對更高位堅硬巖層彎曲變形跨斷的影響，更有利于工作面安全高效回采。