晋邦德煤业综采面覆岩位移变化相似模拟研究

赵 磊

(山西焦煤西山煤电晋邦德煤业有限公司，山西 吕梁 033000)

伴随综采面持续开采，暴露的顶板面积逐渐增大，煤层上覆岩层发生弯曲断裂[1-4]，当覆岩弯曲断裂程度超过极限时，覆岩开始下移并垮落[5-6]。为有效确保矿井安全稳定生产，研究在煤层回采时覆岩的位移变化规律至关重要。

针对此问题，科研工作者开展了大量的工作并取得了一定的成果，罗明坤[7]通过相似模拟试验，对坚硬顶板环境下上覆岩层的运移规律以及大巷形变移动特点进行研究，发现当工作面采空区坚硬顶板存在较长距离的悬顶长度时，初次来压步距达到37 m，周期来压步距达到23 m，围岩发生两帮凸起、顶板挤压移动的运移变形规律；
赵向阳等[8]在门克庆煤矿开展相似模拟试验，对坚硬覆岩煤层回采期间裂隙发育规律进行研究，发现覆岩演化呈现为长砌体梁结构逐步变化和低位坚硬覆岩协同作用于采空区两侧，最终表现为F型悬臂梁结构，顶板最大位移量达到5.69 m；
魏宗勇等[9]在山西天池煤矿202工作面构建三维物理相似模拟模型，借助声发射监测系统、三维模型剖切手段研究覆岩裂隙发育规律，发现覆岩垮落裂隙三维形态表现为“椭抛体”形状，高位巷合理布置地点选在回风巷侧裂隙区，瓦斯抽采效率得到显著提高。

本文以山西焦煤西山煤电公司晋邦德煤业10406综采工作面为工程背景，借助相似模拟手段，对煤层回采阶段工作面覆岩位移变化规律进行研究，以指导此煤层进行巷道支护[10-11]，并为邻近矿井提供一定的参考价值。

山西焦煤西山煤电公司晋邦德煤业10406综采工作面位于10号煤四采区，10406轨道巷开口位于10号煤东翼轨道巷，10406胶带巷开口位于10号煤东翼胶带巷。

10406工作面北部距霍州煤电木瓜矿矿界80 m，木瓜矿在靠近矿界处无采掘活动，矿界与工作面中间有10号煤东翼轨道巷、东翼回风巷、东翼胶带巷3条大巷；
西面为本矿10404工作面；
南部为楼俊集团担炭沟煤业矿界，现担炭沟煤业10101工作面(已回采)，距工作面40 m；
东面为本矿10408工作面(2017年回采完成)，间距为20 m.工作面上覆有本矿4号煤东翼机轨合一巷；
14207(已回采)、14205工作面；
原燕沟矿主斜井、副立井、回风立井、南胶带巷、南回风巷、1403、1402、1401、北一、北二采空区。

地面标高为+1 042～+1 189 m，工作面标高+808～+878 m，工作面倾斜长约171 m，可采走向长度为1 393 m.煤层平均倾角为5°，密度为14×10-3g/cm3，平均厚度为2.9 m.工作面煤层顶底板情况见表1.

表1 煤层顶底板情况

2.1 确定相似常数

根据晋邦德煤业煤层地质条件，确定相似材料的主要组成成分为细砂、石膏及石灰，利用配比不同以模拟井下坚硬、较硬和软弱岩层。各模拟岩层材料质量计算见公式(1)，相似材料配比结果见表2.

G=LbhγP

(1)

式中：G为所选岩层材料的质量，kg；
L为所选岩层的长度，m；
b为所选岩层的宽度，m；
h为所选岩层的厚度，m.

2.2 试验模型

模拟方案：结合晋邦德煤业地层资料，将覆岩厚度超过0.5 m的进行分层模拟，将覆岩厚度不足0.5 m的和邻近层进行合并处理，从而开展综合模拟，根据岩层分层特点开始把相似材料铺设好，从而获得试验模型，具体如图1所示,相似材料配比情况见表2.模型长×高×宽为420 cm×200 cm×250 cm，在模型架的四周及背面通过钢板固定并封闭，将厚度为20 mm的有机玻璃覆盖在模型架前方。通过在相似模拟试验模型前面安设位移监测点，从而对煤层回采阶段煤层上覆岩层运移规律进行观测，如图2所示。

图1 相似试验模型

图2 布置位移监测点

表2 相似材料配比情况

2.3 试验过程

制作好模型之后，充分干燥7 d，接着将模型前后挡板拆掉，在模型的后方布置保护槽钢2根，将煤层和岩层的位置以及标高标注好，同时对岩层含水率进行测定，等岩层含水率与材料配比试验的含水率二者一致时开始开采，选在离边界距离为110 m处开挖切眼，并将顶煤厚度留设0.5 m，接着按照回采速度为4 m/h不断推进。借助全站仪实时观察各监测点的坐标，对比监测点的原始坐标以及回采时坐标，进而确定每个监测点的移动规律。

当工作面回采到距离开切眼50 m范围时，煤层的直接顶发生初次来压，图3、图4为工作面上覆岩层裂隙发育特点及垂直位移变化规律。由图3发现，上覆岩层开始断裂，同时垮落到下部采空区内，测定垮落角大小为68°，垮落带高度达到10.5 m，垮落后岩层结构表现为层状，呈现出在采空区内无规则堆积，上部岩层和垮落后岩层发生较大空隙，垮落后岩石充分破碎，相互贯通，具有较高的连通率，没有形成断裂带。

图3 距离工作面切眼50 m时覆岩裂隙发育特点

图4 距离切眼50 m时覆岩垂直位移分布规律

由图4可知，介于工作面开切眼后部40 m到工作面煤壁前部30 m区域的上覆岩层在采动作用下影响较大；
介于工作面开切眼后部和工作面煤壁前部区域的上覆岩层发生向上的垂直位移，原因是工作面两端头处的岩层不断挤压中间岩层所造成的；
采空区上覆岩层发生向下的垂直位移，离开切眼前部20 m距离处发生的垂直位移最大；
随着覆岩不断远离煤层，覆层所发生的垂直位移开始逐步下降，当与煤层距离为11.54 m时，覆岩发生的垂直位移达到峰值，最大值为0.07 m.

工作面回采到距离开切眼100 m范围时，煤层上覆岩层发生第5次周期来压，大约在工作面开采10～15 m时，发生第1次周期来压，图5为覆岩垂直位移变化规律。数值模拟得到垮落角大小为65°，垮落带高度达到13.45 m，导水裂隙带高度达到37 m，即垮落带和断裂带的总高度，在垮落带和断裂带之间形成断层；
垮落带区域岩石呈现较为充分破碎状态，具有较高连通率；
断裂带区域岩层呈现出少量的竖向破断裂隙和离层裂隙，但竖向破断裂隙数量不断向上发育，离层裂隙不断向两端扩展，裂隙延伸到覆岩四周，但没有完全联通。从图5获得，在工作面切眼后部40 m到煤壁前部区域20 m内覆岩处于采动影响作用之下；
在切眼前部40 m范围内覆岩发生了最大的垂直位移，逐步向两端头降低，在垂直位移方向上处于对称；
伴随与煤层之间的距离逐步扩大，覆岩的垂直位移也在逐步降低，当与煤层的距离为11.54 m时，覆岩垂直位移的最大值达到2.1 m.

图5 距离切眼100 m时覆岩垂直位移分布规律

工作面开采到切眼160 m距离范围时，图6为覆岩垂直位移特征图。数值模拟得到垮落角大小达到68°，垮落带高度发育达到17.5 m，断裂带高度发育达到31.78 m，导水裂隙带高度发育达到49.28 m；
当煤层回采影响到上部13号煤层时，原有覆岩组织形成失稳状态。由图6得到，在工作面切眼后部40 m到煤壁前部40 m区域覆岩处于采动作用下；
在工作面切眼前部距离80 m区域覆岩发生最大垂直位移，逐步向两端降低，垂直位移运移曲线呈现对称分布规律；
伴随与煤层之间距离的逐步扩大，覆岩垂直位移也在逐步降低，在与煤层距离为11.54 m时，覆岩垂直位移的最大值达到2.35 m.

图6 距离切眼160 m时覆岩垂直位移分布规律

1) 伴随综采面持续开采，垮落角几乎处于稳定状态，垮落带与断裂带发育高度不断增加，采动对上覆岩层的影响作用持续增强。

2) 覆岩垂直位移最大值几乎处于工作面采空区中部区域，并朝两端不断下降，垂直位移曲线几乎呈现对称分布趋势；
伴随综采面回采距离不断增加，垂直位移最大值逐步升高；
覆岩垂直位移伴随与煤层之间距离的不断增加而逐渐下降。

3) 相似模拟试验结果可指导晋邦德煤业煤层进行巷道支护，并为邻近矿井提供一定的参考。