覆沙层下大采高工作面覆岩运移规律*

周光华，伍永平，来红祥，崔 峰

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054;2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安710054)

0 引 言

大采高一次采全高的方法是提高煤炭资源回收、实现高产高效的重要手段［1］。工作面采高逐渐增加、生产装备功率逐渐加大和稳定性增强的趋势已成为中国乃至世界各国煤矿实现高产高效的重要发展方向［2］。经过多年的发展，采高加大之后工作面围岩结构及运移规律已经有科研工作者开展了理论模型构建、数值分析、相似模拟及现场观测研究。

黄庆享［3］通过对神东矿区大采高工作面顶板结构及岩层控制的系统研究，提出了浅埋、大采高工作面顶板周期来压的结构与模型。柴敬等［4］通过对乌兰木伦煤矿5.0 m 采高61203 面的矿压观测，为该工作面支架选择了合理的工作阻力。王学军等［5］分析了5.1 m 大采高工作面初次来压、周期来压步距及对应矿压显现特点，为大采高工作面液压支架及其配套设备的设计提供了依据。付玉平等［6］以大采高采场基本顶初次断裂对称的关键块为研究对象，建立了采场顶板初次断裂关键块水平力分析模型。郝海金等［7］对寺河矿设计采高5.2 m 的10201S 工作面进行矿压观测表明直接顶岩层受损伤后，由于其残余强度较煤层大得多，传压性能较好，使大采高综采工作面的矿压显现更加显著。弓培林等［8-9］对寺河矿2301 工作面4.5 m 采高和2302 工作面5.6 m 采高、康家滩矿88101 工作面设计采高4 m 分别进行了研究，形成了指导现阶段大采高开采较为系统的理论与方法。蔡美峰等［10］对大柳塔煤矿开采过程中出现的大范围垮落动力失稳现象进行了系统研究，定性分析了在重力和冲击载荷作用下的采空区动力失稳规律与机理。来兴平等［11-12］对复杂倾斜特厚易燃煤层大采高开采工艺进行了研究，取得了6.2 m采高的成功开采。鞠金峰等［13］对大采高采场垮落带的关键层“悬臂梁”结构运动型式及对矿压的影响进行了研究，提出了大采高覆岩关键层“悬臂梁”结构的3 种运动型式。

上述学者的研究指导了过往及现阶段中国大采高工作面支架选型、围岩控制、煤壁片帮等问题的解决。宁东能源基地宁东煤田规划的灵武矿区及鸳鸯湖矿区主采2 号煤层，厚度7.5 ～9.6 m，倾角8° ～30°，全区可采、赋存稳定［14］，并已在羊场湾煤矿完成了6.2 m 采高的实践［15-19］。鸳鸯湖矿区还规划了清水营、梅花井、石槽村、红柳、麦垛山5个大型井田，设计开采储量50.01 亿t，规划建设规模4 400 万t/a. 针对宁东煤田所赋存的特厚的煤层，一次性采全高的采煤方法仍是最佳的选择。文中以宁东煤田赋存的覆沙层下特厚煤层为背景，开展6.0 m 大采高工作面覆岩运移模拟研究，掌握大采高条件下工作面覆岩的运移及垮落特征，对6.0 m 采高及以上采高的开采实践提供指导。

1 大采高工作面模型构建

实验以宁东煤田2 号煤层的地质资料为原型，采用相似材料模拟实验方法进行模拟实验。实验架采用外形尺寸(长×宽×高)为=5.0 m ×0.2 m×1.5 m 的平面应变模型架，确定模拟实验的几何相似比例(模型:原型)为1∶100，模型铺装尺寸(长×宽×高)为=5.0 m ×0.2 m ×1.2 m. 从模型左端30 cm 处做切眼，然后一次向右推进，每次开采10 cm，直至推进至距模型右端30 cm 处，共模拟开采440 cm.模拟材料选择为煤粉、河砂、石膏、大白粉及水，类岩材料的密度视为1.6 g/cm3，铺装实验架1 厘米的所耗费类岩材料质量为16 kg.同时，设计模拟支架，根据公式Cσ=ClCγ计算各类岩性的容重及应力相似系数。

图1 相似模拟实验现场全景Fig.1 Experiment panorama of similarity simulation experiment

图1 为搭建好的相似模型，布置有全站仪、声发射监测仪、百分表、压力盒等监测仪器。模型中设置了多排监测点，见图中黑白相间的点，在开采一定距离后通过全站仪对每个点进行观测，记录此时监测点的位移情况，从而分析岩层运移的规律;百分表用来测定地表下沉量。为达到与现场地质情况的充分相似，地表用干沙子铺装，沙子可以发生流动，可以模型现场的流沙现象。图中黑色的为煤层，位于模型最下部，在煤层下面铺装有压力盒，用来分析矿压显现规律。

2 大采高模型模拟结果分析

2.1 地表下沉特征

煤炭采出后原有环境中的应力重新分布，煤层上覆岩层发生运移，覆岩产生垮落、弯曲、下沉等现象，由下向上并逐渐波及地表，在地表形成下沉盆地。

在距模型左边框30 cm 处开切眼，依次向右推进，每次开挖10 cm，待模型稳定0 ～20 min 后记录百分表数据。工作面开采后在地表将在走向方向上形成半无限下沉盆地，随着开采距离的增加，盆地的盆底部分宽度也不断加大。

图2 模型地表下沉历程Fig.2 Process of surface subsidence in model

图2 是地表下沉盆地的形成历程，反映了不同开采距离时地表的下沉盆地形成过程。在开采250 cm 之前，主要下沉发生在150 cm 前后50 cm的范围内;随着开采距离的不断增加，下沉盆地的盆底不断加宽，地表下沉最大值发生在距工作面切眼150 cm 处，为48.69 mm;250 cm 处下沉最大值为42.99 mm，可以确定150 ～250 cm 范围内的区域为下沉盆地的盆底部分。由于模型长度为500 cm，两端留设30 cm 边界的煤柱不采，所以两边界50 cm 下沉没有进行观测，实际监测表明主要下沉发生在模型50 ～400 cm 之间。这表明当流沙层下沉时，主要下沉量发生在裂缝周围即下沉盆地中，准确估算延伸至地表的裂缝位置为确定地表下沉量、保护地表构筑物及地下水溃漏具有指导性意义。

随着工作面继续推进，老顶呈现出周期性破断的特征。开采范围足够大时破断岩层的结构形态将传至地表，在地面上形成一个比采空区大得多的沉陷盆地。综合以上分析得出以下结论

1)随着工作面的不断推进，覆岩的弯曲、破断、垮落由下而上逐渐扩展，由此而引起的地表覆沙层的下沉是工作面覆岩与覆沙层耦合运动的结果。

2)覆沙层的下沉影响呈非线性变化，地表覆沙区域随着覆岩的弯曲、垮落而出现流动的现象。

2.2 覆岩运移特征

在模型的左侧留设30 m 边界保护煤柱后进行开挖，煤层前后贯通形成开切眼，然后安装支架，如图3 和图4 所示。支架上装有与压力监测仪相连的电缆，可以监测开采过程中顶板的来压情况。

图3 开切眼并安装支架Fig.3 Open-off cut and support

图4 直接顶初次垮落Fig.4 Initial collapse of immediate roof

图5 模型开采结束后岩层最终的垮落状态Fig.5 Collapse state of the model after mining

图5 是模型开采结束后整体的垮落情况，由于开采形成的7 条大的裂缝，除模型左端开切眼处的裂缝与工作面推进方向成60°外，其他6 条裂缝均与工作面推进的反方向成60°，可以判定该工作面的垮落角为60°.

宁东煤田干旱少雨且处于毛乌素沙漠边缘，地表多为风积沙覆盖，基本无支承能力或承载能力极低，因此工作面覆岩离层或断裂随时间和开采扰动影响，将直接贯通地表。裂隙贯通时支架工作阻力达到最大，但煤壁并未出现全厚切落现象。当工作面推进至240 m 时，裂隙扩展至地表190 m 处，如图6 所示。当工作面推进至350 m时，顶板裂隙扩展至工作面正上方，造成覆沙层弯曲、下沉，并出现向采空区低洼区流动的现象。

基本顶初次来压过后，随着工作面的推进，顶板来压显现呈一定周期性，支架后方基本顶悬空，只有一端支撑在煤壁上，由于受到采动影响，基本顶出现裂隙，整体性遭到破坏，在很短的跨度内就会垮落，造成来压。因为跨度小，产生的危害虽较初次来压小了很多，但周期来压对工作面的回采依然会产生很大影响，因此在老顶初次来压后，对后面周期来压时造成的老顶破坏情况，来压步距等情况经行了详细的观察。具体每次来压步距和老顶垮落厚度分布特征图见图7.本次实验从90 m老顶初次来压，到开采完毕共发生16 次周期来压，初次来压步距为90 m，周期来压步距分布在10 ～40 m 范围内，平均为22.67 m.

图6 裂隙导通地表Fig.6 Fracture conducting surface

图7 来压步距与老顶垮落厚度关系Fig.7 Relationship of weighting and roof collapse thickness

在开采过程中，支架移架前与移架后顶板垮落情况迥异，直接顶通常随着支架的前移而垮落。通过对实验过程中移架前后岩层的垮落的情况进行了统计，发现在推进距离为150，170，180，210，240，300，320，370，420，430 cm 时，移架后直接顶均出现大规模垮落，共计10 次。与周期来压时间对比发现:有7 次与周期来压重合，有2 次发生在下一周期来压前10 cm，1 次发生在下一周期来压前30 cm.反映出大采高条件下工作面支架带压移架时将有70%的几率出现顶板大范围来压现象，开采实践时应选择工作阻力较大的支架、密切注意顶板，防范顶板灾害、支架压死等现象。

2.3 岩层监测点运移特征

在开采煤层上覆岩层的水平方向上布设观测线。根据预先估计选取模型中冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的分布情况，共布置a，b，c，d，e，f，6 排共108 个观测点。观测点之间横向间距0.27 m，纵向间距0.25 m.在工作面推进至不同的阶段，利用宾得R-22 型无棱镜全站仪对测点沉降信息进行了8 次读取。

图8 是开采前后各观测点沉降变化图表，其中a，b，c，d，e，f 代表开采前各观测点的原始高程(由于选取的高程基准面比实际模型高，所以高程均为负值)，A，B，C，D，E，F 代表开采结束上覆岩层基本稳定后各观测点的高程。可以看出下沉都是由下位岩层逐渐向上位岩层发展。且下位岩层的下沉量明显比上位岩层的下沉量大。且各上覆岩层的下沉趋势基本保持一致。在距开切眼230 cm处下沉量最大为0.09 m. 图中反映出各个岩层下沉走势基本一致。覆岩下沉量由下位岩层向上位逐渐减小，三带分布特征较为明显。

图8 开采前后观测点高程波动图Fig.8 Height fluctuation of observation points before and after mining

图9 e 排监测点全过程下沉曲线Fig.9 Sinking curve of monitoring points for e row

图9 反映了e 排观测点在工作面推进至不同阶段时的下沉量和下沉曲线图。从图中可以看出，下沉范围随着工作面的推进而不断扩大，且下沉具有瞬发性。观测点的高程变化随着每一次周期来压发生一次重大变化。开采工作结束后e 排观测点平均垮落高度达6.4 cm，最大垮落高度为6.77 cm，呈U 字型下沉趋势。

3 结 论

1)大采高工作面采高的进一步加大是实现矿井高产高效的发展方向，开展大采高工作面覆岩运移模拟的前瞻性模拟，研究大采高条件下工作面覆岩的运移及垮落特征，为大采高工作面的开采实践提供指导。

2)随着采场的不断推进，顶板岩层的弯曲、破断、垮落由下而上发展，采场覆岩结构、沙层的运动状态也在不断变化，由此而引起的地表覆沙层下沉、滑动是采空区上覆岩层与覆沙层运动的耦合结果。实验表明，地表下沉最大值发生在距工作面切眼150 cm 处，为48.69 mm;250 cm 处下沉最大值为42.99 mm，可以确定150 ～250 cm 范围内的区域为下沉盆地的盆底部分。随着工作面的继续推进，下沉盆地的底部部分将不断向工作面推进方向延伸。

3)大采高工作面在开采90 m 时老顶初次来压，到开采完毕(430 cm)共发生15 次周期来压，初次来压步距为90 m，周期来压步距分布在10 ～40 m 范围内，平均为22.67 m.

4)模型开采结束后在模型表面形成了7 条贯穿至地表的垮落裂缝，除模型左端开切眼处的裂缝与工作面推进方向成60°外，其他6 条裂缝均与工作面推进的反方向成60°，判定该工作面的垮落角为60°.

5)模型内部各岩层下沉范围随着工作面的推进而不断扩大，观测点的高程变化随着每一次周期来压发生一次重大变化。开采工作结束后e 排观测点平均垮落高度6. 4 cm，最大垮落高度为6.77 cm，呈U 字型下沉趋势。

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