基于相似模拟试验的综放工作面矿压显现规律

2013-04-03郑金平冯彦军

金属矿山 2013年2期

郑金平冯彦军

(1.山西三元煤业股份有限公司;2.天地科技股份有限公司;3.煤炭科学研究总院开采设计研究分院)

伴随着综放开采技术的推广应用，我国煤炭资源开采的技术水平和经济效益从根本上得到了改善［1］。同时，我国学者对综放工作面矿压显现规律进行了大量的研究，取得了十分丰富的成果。综放采场围岩支撑体系为老顶—直接顶—顶煤—支架—底板，顶煤充当部分直接顶，在顶板岩层和支架之间是一层强度较低的顶煤作为上位岩层活动的“垫层”。王家臣［2］认为综放采场矿压显现程度不仅取决于上覆岩层的活动，也与顶煤的强度、刚度、厚度及破碎状况有关。毛德兵等［3］根据综放开采技术，提出了大采高综放开采的概念。翁明月等［4］根据微震事件变化间接反映工作面矿压显现，认为微震事件峰值出现的时间一般略早于工作面周期来压。刘志成［5］在分析大倾角煤层综放工作面矿压显现的基础上，通过相似模拟试验，确定了靖远王家山矿大倾角煤层综放液压支架工作阻力。陆明心等［6］对综放工作面矿压显现内在机理及上覆岩体的平衡结构进行了研究，上覆岩层存在着以大变形梁形式的平衡结构，平衡结构与顶板、顶煤相互作用。

本研究在相似模拟试验的基础上研究综放工作面矿压显现规律。

1 相似材料模拟试验

1.1 试验背景

综放工作面煤层平均厚度为8 m，割煤厚度为3 m，放顶煤厚度为5 m，煤层埋深为100 m，煤层及上覆岩层岩性、强度及厚度如表1。煤层围岩综合柱状图如图1。

1.2 模型建立

根据相似模拟试验研究目的，采用平面应变模型进行模拟。平面应变模型试验台规格为3 000 mm ×3 000 mm×200 mm(长×高×宽)。模型上覆岩层重力采用皮囊充气加载的柔性加载方式。

表1 煤岩力学参数

图1 煤层围岩柱状图

在模拟回采过程中，监测顶煤的位移分布及其变化，位移测点布置见图2;测试顶板支承应力分布及变化，应力测点布置见图3。

图2 位移测点布置

2 试验结果

2.1 顶煤竖向位移随工作面推进的变化

图4表示8号、27号、28号、42号测点顶煤下沉量随工作面推进距离的变化。工作面推进距离小于18 m时，顶煤下沉量呈缓慢增加的趋势，下沉量变化范围1.5～9.5 cm;工作面推进至18～21 m，顶煤下沉量急剧加大，下沉量范围为25～150 cm;工作面推进至21～41.4 m，顶煤下沉量呈缓慢增加趋势，下沉量变化范围20～40 cm;工作面推进超过41.4 m后，顶煤下沉量急剧加大，此时最大下沉量可达300 cm。

图3 应力测点布置

2.2 支承压力随工作面推进的变化

图5表示1号，3号，7号，8号测点支承压力随工作面推进的变化。工作面推进至15.6～21.6 m时，支承压力达到峰值点，即工作面前方纵向支承压力峰值出现在15.6～21.6 m附近，平均约16 m，最大支承压力为15～55 MPa，平均为35 MPa。

3 结果分析

随着工作面的推进，顶煤下沉量经历缓慢增加、趋于加剧、缓和、急剧加大等变化过程;随着工作面推进距离的加大，支承压力的变化呈波浪形，在达到峰值后开始衰减，基本顶周期来压显现趋于缓和。支架上方的顶煤在超前支承压力的作用下，进入了塑性状态或已变得破碎，岩层支承压力向煤壁前方迁移，这样可缓冲基本顶来压时的动载作用。因此，综放开采的1次采高虽大，但是工作面矿压显现并不强烈。