楊昌永，張 沛，杜君武，郝春生

(1.煤與煤層氣共采國家重點實驗室，山西 晉城 048012；2.易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司，山西 太原 030000；3.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤炭資源在中國能源戰(zhàn)略中占據(jù)主導地位，近年來，隨著開采工藝、開采設備及支架-圍巖耦合支護理論的提升，開采規(guī)模和年產(chǎn)量在不斷增加[1]。超大采高綜放開采已初步實現(xiàn)了安全高效、高回收率開采，對于綜放開采，不同地質(zhì)條件和開采條件的綜放工作面，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和覆巖垮落特征存在較大差異。厚煤層放頂煤開采，由于采高大，工作面來壓和覆巖運動劇烈。綜放工作面直接頂厚度和巖性影響著垮落后的碎脹程度，進而影響后方采空區(qū)的充填程度和上覆巖層運動破斷運動形式和結(jié)構形態(tài)[2-6]。根據(jù)現(xiàn)場實踐，綜放工作面頂板初次垮落和周期垮落規(guī)律的預判，對工作面安全高效生產(chǎn)至關重要，同時液壓支架與圍巖相互作用關系，也影響著綜放工作面的安全生產(chǎn)[7-12]。掌握綜放工作面覆巖垮落特征、“三帶”發(fā)育高度和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對指導綜放采煤工作面安全開采具有重要意義。在保證安全生產(chǎn)的前提下，選擇合理的支架工作阻力不僅能夠保證安全生產(chǎn)，而且能夠降低生產(chǎn)成本[13-19]。可見，綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和覆巖運移規(guī)律是巖層控制關注的熱點。

以成莊煤礦4311綜放工作面為研究背景，采用物理模擬實驗，研究成莊煤礦4311綜放工作面覆巖垮落特征、圍巖應力分布規(guī)律、覆巖“三帶”發(fā)育特征和支架載荷分布規(guī)律，揭示了成莊煤礦4311綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及覆巖垮落規(guī)律，對工作面頂板控制和來壓監(jiān)測預報提供科學依據(jù)，為成莊煤礦3#煤層安全高效開采提供了理論依據(jù)。

1 工程背景

成莊煤礦4311工作面位于四盤區(qū)，開采3#煤層，煤層厚度平均6.3 m，傾角3°，平均埋深480 m。工作面走向長度1 318 m，傾向長度210 m，采用綜合機械化低位放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，采高3 m，放煤厚度3.3 m，兩端頭各留6 m長距離不放頂煤，采用正規(guī)循環(huán)作業(yè)，每日進度8個循環(huán)，日推進6.4 m。3#煤層為條帶狀結(jié)構，似金屬光澤，煤層普氏系數(shù)f=2～4，屬中硬煤層，直接頂為泥巖，厚度2.45 m，黑色，層理發(fā)育，植物化石豐富；基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度10.1 m，局部含少量砂巖，水平層理發(fā)育；直接底和老底為砂質(zhì)泥巖，總厚度11.5 m。4311工作面采用三巷布置，其中43111巷為軌道巷兼主進風巷，43113巷為膠帶輸送機巷，43112巷為回風巷，43112巷和43113巷之間留設45 m煤柱。工作面采用“兩進一回”Y型通風方式，工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 4311工作面巷道布置示意

2 綜放工作面覆巖垮落特征物理模擬

2.1 模型設計

以成莊煤礦4311綜放工作面地質(zhì)條件為原型，采用物理相似模擬，研究4311綜放工作面覆巖垮落特征。選用3.0 m平面應力模型架，確定模型的幾何相似比為1∶150，模型尺寸3.0 m×1.43 m×0.2 m。剩余上覆巖層和土層載荷用鐵磚加載配重。煤巖體力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學參數(shù)

按照相似理論，結(jié)合煤巖力學參數(shù)，選用河沙作骨料，石膏、大白粉作膠結(jié)材料，云母粉模擬巖層節(jié)理裂隙。按照物理相似準則，計算各個巖層的相似配比，物理模擬實驗模型如圖2所示。

圖2 物理相似模擬模型

模型表面共布置5條巖移測線，分別位于頂板上方15，45，75，105，135 m處，采用全站儀監(jiān)測開挖過程中巖移規(guī)律。底板鋪裝應力傳感器，監(jiān)測采動過程中的應力變化，通過模擬支架監(jiān)測采動過程中的工作面頂板壓力，開挖過程中為消除邊界效應，模型左右邊界各留設70 m邊界煤柱。

2.2 覆巖垮落規(guī)律

2.2.1 直接頂垮落

當工作面推進至45 m時，直接頂上方出現(xiàn)微小離層裂隙，開切眼處和工作面煤壁處出現(xiàn)上行裂隙。工作面推進至46.5 m時，直接頂板離層加大，煤壁處和切眼處出現(xiàn)上行裂隙進一步擴大。隨后，直接頂大面積垮落，垮落巖塊未形成規(guī)則鉸接結(jié)構，呈碎塊散落在采空區(qū)，此時頂板垮落為直接頂初次垮落。直接頂初次垮落高度為3 m，離層裂隙發(fā)育到煤層頂板上方5.6 m處。直接頂垮落過程如圖3所示。

圖3 直接頂垮落過程

2.2.2 老頂?shù)某醮慰迓?/p>

工作面推進至49.5 m時，直接頂巖梁在老頂載荷和自重作用下發(fā)生彎曲下沉并產(chǎn)生離層裂隙。工作面繼續(xù)推進，離層裂隙不斷向上發(fā)育，推進至58.5 m，老頂巖層彎曲下沉，由于頂板巖塊端部擠碎使老頂產(chǎn)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)，在兩端產(chǎn)生拉裂隙，但破斷裂隙未貫穿整個巖層，此時對應于老頂?shù)某醮纹茢啵醮慰迓洳骄?8.5 m。老頂初次垮落時，采空區(qū)上方頂板裂隙帶發(fā)育高度16 m，離層巖梁寬度37.5 m。覆巖在切眼處的垮落角為61°，在煤壁處為59°，老頂?shù)某醮慰迓湫螒B(tài)如圖4所示。

圖4 老頂初次垮落過程

2.2.3 頂板周期性垮落規(guī)律

1)第1次周期垮落。工作面推進72.5 m時，老頂?shù)?次周期垮落，垮落步距14 m，頂板裂隙帶高度25.2 m，離層寬度35.7 m，離層間距1.5 m?？拷醒厶庬敯咫x層裂隙尚未閉合，頂板巖層形成較明顯的“砌體梁”鉸接結(jié)構，如圖5所示。

圖5 老頂?shù)?次周期垮落結(jié)構形態(tài)

2)第2次周期垮落。隨著煤層不斷被開挖，上覆巖層離層裂隙不斷向上發(fā)育，當工作面推進90 m時，老頂?shù)?次周期垮落，垮落步距17.5 m，裂隙帶高度29 m，離層寬度43.5 m，離層間距1.3 m，直接頂下位巖層產(chǎn)生明顯的豎向裂隙，未形成鉸接結(jié)構，直接頂垮落充分?？傮w上，下部巖層先垮落，上方巖層滯后垮落，如圖6所示。

圖6 老頂?shù)?次周期垮落結(jié)構形態(tài)

3)第3，4次周期垮落。工作面推進到104.5 m時，覆巖離層裂隙進一步向上發(fā)育，原有離層裂隙隨著上方巖層的回轉(zhuǎn)變形，逐漸趨于閉合，裂隙帶高度發(fā)育至煤層上方45 m處，老頂?shù)?次周期垮落，垮落步距14.5 m，此次垮落強度不大，如圖7所示。推進到118.5 m時，覆巖離層裂隙進一步向上發(fā)育，采空區(qū)中部原有離層裂隙隨著上方巖層的回轉(zhuǎn)變形，逐漸趨于閉合。切眼處的上行裂隙和離層裂隙進一步減小，但煤壁上方的離層裂隙變大，上行裂隙隨著后方老頂巖梁的回轉(zhuǎn)變形，不斷向上發(fā)育，覆巖裂隙帶高度發(fā)育至煤層上方55.5 m處，離層巖梁寬度51 m，離層間距1.0 m，第4次周期垮落，垮落步距14 m，頂板結(jié)構如圖8所示。

圖7 老頂?shù)?次周期垮落結(jié)構形態(tài)

圖8 老頂?shù)?次周期垮落結(jié)構形態(tài)

推進到222 m時，達到充分采動，裂隙帶發(fā)育最大高度169 m。工作面開采過程中，覆巖層呈周期性垮落。物理模擬開采結(jié)束后，得到了12次頂板周期垮落特征和裂隙發(fā)育高度，4311綜放工作面，初次來壓步距58.5 m，周期來壓步距一般為11.5～27 m，平均18 m。覆巖垮落規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征見表2。

表2 覆巖垮落規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)特征

2.3 覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

開挖結(jié)束后，裂隙帶發(fā)育高度最大169 m。模擬最大采高6.45 m，最大裂采比26.20。裂隙帶高度與工作面推進關系如圖9所示。

從圖9可知，工作面推進到104 m時，覆巖裂隙帶高度一般為垮落帶高度的1.5倍左右。工作面推進到110 m，覆巖垮落帶高度維持在48 m左右，推進到120 m左右時，覆巖裂隙帶發(fā)育迅速。當工作面推進到222 m，覆巖裂隙帶發(fā)育充分，達到充分采動，裂隙帶隨著工作面的推進，基本保持169 m左右，此時覆巖裂隙帶高度一般為垮落帶高度的3.5倍。

圖9 覆巖裂隙帶高度與工作面推進關系

3 工作面礦壓顯現(xiàn)及覆巖運動規(guī)律

3.1 工作面來壓規(guī)律

根據(jù)物理模擬過程中覆巖垮落形態(tài)，應用無線應力傳感器監(jiān)測工作面推進過程中支架載荷情況，得到不同工作面推進距離的受力情況。工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律如圖10所示。

圖10 工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

當工作面推進到46.5 m時，直接頂初次垮落，支架壓力不大，為2 814 kN，老頂初次垮落時，支架壓力明顯上升，支架載荷3 602 kN，來壓劇烈，頂板垮落充分。老頂?shù)?次周期來壓，支架載荷為3 192 kN；第2次周期來壓，支架載荷為3 644 kN；第4次周期來壓，支架載荷為3 696 kN，此次周期來壓劇烈，老頂?shù)?次周期來壓強度4 115 kN/架，此次來壓最為強烈，覆巖垮落劇烈，上覆巖層離層裂隙加大，上行裂隙發(fā)育充分。

從圖10可得，開采過程中，上覆巖層來壓時支架載荷一般大于3 500 kN/架，最大可達4 115 kN/架?，F(xiàn)場實踐中，為保證安全生產(chǎn)，工作面支架應該有15%～20%的富余量，因此安全的支架選型應該為4 732～4 938 kN。4311綜放工作面采用ZZPE4800/17/33型放頂煤支架，支架工作阻力4 800 kN，安全閥開啟率為5%，沒有出現(xiàn)壓架等現(xiàn)象。

3.2 覆巖運移規(guī)律

3.2.1 覆巖移動規(guī)律

對布置在模型表面5個層位(煤層頂板上方15，45，75，105，135 m)上的測點用全站儀記錄覆巖垂直位移。在開挖過程中，對每次頂板周期垮落后對各個測線的測點位移變化量進行觀測，得到不同層位覆巖垂直位移變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 不同層位覆巖垂直位移變化規(guī)律

從圖11可以得出：

1)15 m層位頂板最大下沉值位于工作面推進到140 m位置，最大下沉為5.9 m。從距離開切眼到停采線前50 m處的頂板全部位移垮落帶內(nèi)，位于垮落帶的頂板范圍為210 m左右。采空區(qū)中部的下沉值大，頂板表現(xiàn)為同步下沉，不均勻下沉系數(shù)小。靠近切眼處和停采線處的頂板下沉量小，但頂板不均勻下沉系數(shù)大。

2)45 m層位頂板最大下沉值位于工作面中部，最大下沉值為4.9，200 m范圍內(nèi)的頂板位于覆巖垮落帶。采空區(qū)中部150 m范圍內(nèi)頂板下沉值基本在4.0～4.9 m。

3)75 m層位頂板最大下沉值為3.7，180 m范圍左右的頂板位下沉值在3.1～3.7 m，不均勻下沉系數(shù)為0.16。采空區(qū)上方覆巖頂板同步下沉盆地范圍較15 m和45 m層位小。

4)105 m層位頂板下沉值最大為2.8 m，150 m左右的頂板下沉量在2.4～2.8 m，采空區(qū)中部下沉盆地整體下沉量較小，不均勻下沉系數(shù)為0.14?？拷罕谔幍牟痪鶆蛳鲁料禂?shù)為0.53，靠近停采線位置的覆巖不均勻沉降系數(shù)為0.78。

5)135 m層位頂板下沉量最大為2.2 m，100 m左右的頂板下沉量在2.1～2.2 m，共同下沉盆地內(nèi)覆巖的不均勻下沉系數(shù)為0.05，整體表現(xiàn)為均勻沉降，此時的位于采空區(qū)內(nèi)部的上覆巖層離層裂隙趨于閉合，切眼處和停采線處的上行裂隙和離層裂隙減小。

6)采空區(qū)煤層頂板下位巖層下沉盆地的下沉量大于上位巖層的下沉量，隨著覆巖與煤層頂板的距離增大，頂板受采動影響程度逐漸減小。

7)靠近切眼處的覆巖不均勻下沉系數(shù)一般為0.45～0.56，靠近停采線處的覆巖不均勻下沉系數(shù)一般為0.67～0.78，覆巖下沉盆地內(nèi)的不均勻系數(shù)一般為0.05～0.12。

8)由于巖體具有碎脹性，上覆巖層受采動影響，巖體碎脹性不斷疊加，導致覆巖上方的離層裂隙隨著工作面推進不斷減小或閉合。下位巖層受采動影響的程度大于上位巖層，下位巖層裂隙發(fā)育，垮落充分，下位巖層的離層巖梁跨度和離層間距大于上位巖層。

3.2.2 覆巖“三帶”分布特征

4311工作面開采結(jié)束后，上覆巖層呈現(xiàn)明顯的“三帶”分布規(guī)律，根據(jù)模擬實驗觀測數(shù)據(jù)，覆巖垮落帶高度最大發(fā)育至48 m左右，覆巖裂隙帶高度發(fā)育至169 m左右，煤層頂板169 m以上為彎曲下沉帶，覆巖裂隙帶高度一般為垮落帶高度的3.5倍左右，3#煤層開采最大裂采比為26.20，覆巖“三帶”分布特征如圖12所示。

圖12 覆巖“三帶”分布特征

4 結(jié) 論

1)4311工作面初次來壓步距58.5 m，周期來壓步距11.5～27 m，平均18 m。來壓時支架載荷一般大于3 500 kN/架，最大4 115 kN/架?，F(xiàn)場實踐中，為保證安全生產(chǎn)，考慮支架15%～20%的富余量，支架選型4 732～4 938 kN。

2)采空區(qū)頂板下位巖層下沉盆地的下沉量大于上位巖層的下沉量，隨著覆巖與煤層頂板的距離增大，頂板受采動影響程度逐漸減小。靠近切眼處和煤壁處的覆巖上行裂隙和離層裂隙發(fā)育充分，采空區(qū)下沉盆地內(nèi)的離層裂隙基本閉合。

3)4311工作面開采后，覆巖呈現(xiàn)明顯“三帶”分布規(guī)律，覆巖垮落帶高度最大48 m，裂隙帶高度169 m，煤層頂板169 m以上為彎曲下沉帶。工作面充分采動后，裂隙帶發(fā)育趨于穩(wěn)定，達到169 m，最大裂采比26.20。