冯伟栋

(汾西矿业集团贺西煤矿)

1 工程概况

某矿井3下01综采放顶煤工作面采用伪倾斜长壁后退式综采放顶煤法生产，北部临近井田边界，南部尚未开采，东部临近北徐楼断层，西侧临近F1断层。该工作面平均宽约87 m，走向长约788 m，工作面总面积约73 205 m2，煤层标高-720.7～-889.2 m。该工作面地面标高34.3～35.5 m，地面无建筑物，均为农田，对工作面回采无较大影响。

2 相似材料模型构建

本研究根据3下01综放工作面的生产地质条件，对采场覆岩运动特征及各分带的发育规律进行研究[1-2]。该工作面开采模拟试验台规格为1.9 m×0.22 m×2 m(长×宽×高)。本研究相似材料模拟试验采用多种测试手段，布置了足够密集的上覆岩层变形、破坏的观测网格和测点，对模型开采过程中上覆岩层的各种变形和破坏形式进行全面、系统地观测和实时记录，并进行归纳分析[3-6]。模型每次开采6 cm，平均每天开采3～4个循环，共开采24个循环。走向开采150 cm(120 m)，模型开切眼一侧留20 cm(16 m)煤柱，开采至另一侧距边界20 cm(16 m)处停采。

3 相似材料试验结果分析

3.1 覆岩破坏规律分析

当模型开挖20 cm，相当于实际工作面推进16 m(未考虑开切眼影响)时，工作面顶煤开始垮落，直接顶发生了轻微的离层。当模型开挖到33 cm，相当于工作面推进26.4 m时，随着岩梁跨距的增加，煤层上分层(M上分层)与直接顶(J-1)粉砂岩之间开始出现大的离层并随即垮落。直接顶(J-1)粉砂岩与老顶(J-2)中粒砂岩之间开采出现大的离层，离层情况如图1所示。当模型开挖到63 cm，相当于实际工作面推进到50.4 m时，7 m厚煤层上分层、2 m厚粉砂岩、11.8 m厚中粒砂岩等3个分层发生了初次垮落，形成了老顶初次来压，老顶初次垮落步距为50 m。当模型开挖到93 cm，相当于实际工作面推进到74.4 m时，7 m厚煤层上分层、2 m厚砂质页岩和11.8 m厚细砂岩作为老顶发生了第1次周期垮落，周期垮落步距为 24 m。同时，随着采空区悬空面积增大，在顶部矿山压力的作用下，J-2 中粒砂岩的上分层和J-3砾岩全部垮落，在采空区形成了铰接形态。当模型开挖到123 cm，相当于实际工作面推进到98.4 m时，老顶发生了第2次周期垮落，周期垮落步距为24 m。当工作面推进到135 cm时，相当于实际工作面推进到108 m时，第一岩梁中粒砂岩、第二岩梁砾岩已经全部垮落，以3.8 m厚粉砂岩、2 m厚粉砾岩、53 m厚粉砂岩组成的第三岩梁下位岩层发生垮落，上位岩层出现了严重离层。试验表明：直接顶初次垮落步距约26 m，老顶初次垮落步距约50 m，周期垮落步距约24 m，共经历了2次周期来压。模型由右至左推进到141 cm时，整个上覆岩层正面推进运动情况如图2所示。

综合分析覆岩破坏规律可知：①上覆岩层破坏首先是从开挖空间的端部开始，破坏形式主要为拉剪破坏，断裂线与岩层轴线呈65°夹角；②随着工作面不断向前推移，工作面上方覆岩层出现离层继而发生断裂，离层情况主要由覆岩尺寸及强度决定，几组岩层同时下沉，或者个别较厚坚硬岩层撑起了上覆岩层，并在工作面推进长度不断加大的情况下出现了铰接断裂结构；③随着工作面继续推进，冒落带高度不再发展，裂缝带与离层带高度继续随着破坏拱的扩展而增大，当工作面推到一定位置以后，上覆岩层的破断高度不再继续增大；④岩体内部移动由下向上成组运动，当顶煤发生冒落时，上覆岩层有足够的运动空间，上覆岩层与之发生同步运动，并在直接顶与老顶之间出现离层，当老顶发生断裂时，其所控制的上覆岩层也与之发生同步破断运动，将导致上覆直至地表的所有岩层发生同步破断下沉。

图1 直接顶老顶离层情况图2 岩层最终运动状态

3.2 应力位移特征分析

由图3、图4可知：围岩中水平应力随着采动影响的加剧而逐渐增大，在弹性及塑性阶段，靠近煤壁的位置出现了一定范围的水平拉应力区；塑性区的水平应力并非随着深度的增加而增加，而是呈现一定的波动性，是由于垂直应力引起的水平膨胀变形的非均匀性所致，垂直应力峰值点不在煤壁表面，而是在距煤壁6～10 m范围内。

图3 超前采场水平应力分布曲线

图4 超前采场垂直应力分布曲线

由图5、图6可知：当采场顶板岩层处于弹性及弹塑性变形阶段时，靠近采场的位置存在一定范围的垂直拉应力区，采场顶板中水平应力最大值不出现在煤壁位置；围岩进入松动区后，顶板岩层形成了自然冒落拱，该范围内岩层中的应力得到释放。

图5 采场顶板垂直应力分布曲线

图6 采场顶板水平应力分布曲线

由图7可知：围岩发生破坏之前位移量较小，载荷集度达到约8 MPa时，顶板发生破裂，破裂面为拱形，高度约为1.2 m；载荷集度达到约12 MPa时，同时顶板产生了新的拱形破裂面，高度约1.9 m，再次形成一个整体拱形破裂面，并且拱形破裂面以下的顶板岩体发生了冒落。

图7 顶板位移曲线

4 结 语

对某矿3下01综采放顶煤工作面的开采过程进行了相似材料模拟，分析了覆岩各岩层的运动规律，分析结果可供该工作面放顶煤安全开采参考。