深井高地壓煤層上行開采的物理模擬研究

我國為礦開采深度逐年增大，不少礦井采深已達到600m以上，一些礦井已達800~1100m。在深井高應力作用下，衝擊地壓、煤與瓦斯突出、巷道維護、複合頂板管理等一係列高地壓現象十會突出，嚴重製約著礦井的安全高效生產。改變常規的下行開采方式，優化開采程序，實現部分煤層的全量上行開采是徹底解決深井高地壓危險的有效途徑。

新汶礦區孫壓煤礦已進入-800m水平開采，采深達到1000m左右。井田內上組煤的主采煤層為二、四層煤，煤層傾角為19°~24°，二、四層煤層間距平均為22m，二層煤下位厚度一般為2.6~2.8m，中部含有厚度為0.4~0.6m的夾矸，上位煤線厚度0.3~0.4m左右。深井高地壓二、四層下行采中存在三個方麵的突出問題：

（1） 二層煤屬強烈衝擊傾向，衝擊地壓危害性大；

（2） 二層工作麵托頂煤及夾矸開采，複合頂板管理困難，工作麵生產安全狀況差，推進速度慢，並製約四層煤開采及礦井采掘接續；

（3） 二層複合頂板回采巷道支護難題大，巷道斷麵收縮率高達50%左右，巷道維護狀況差，翻修工程最大，嚴重製約礦井正常生產。

　因此，為徹底消除深井擊地壓、複合頂板管理、巷道支護等高地壓危害，大幅度提高礦井的安全高效生產水平，提出了深井高應力難采煤層上行卸壓開采的技術途徑，采用相似材料模擬研究方法，研究論證二、四層煤上行開采的可行性，為指導開采程序改革提供可靠的依據。

　2物理模擬設計

相似材料物理模擬形象直觀，實驗周期短、見效快。前提是要在模型上能造成保持同一物理本質而物理量大小成比例的相似現象。實驗設計以相似理論為指導，相似材料由膠結料和填料組合而成，膠結料為石膏，同時加入碳酸鈣，填料為砂。立體模擬實驗的覆岩破壞狀態具有不可見性，而平麵模擬實驗能夠直觀模擬既定條件下的覆岩破壞與結構狀態，能夠滿足本課題的要求。實驗采用的平麵相似材料模擬實驗台，由框架係統、加載係統和測試係統3部分組成。規格為4m×0.3m×2m，有效實驗高度為1.8m。

相似模型型設計遵循幾何相似、時間相似、密度相似、強度相似和應力相似等基本相似條件^[1]。相似比如下：

　幾何相似比：C₁=1:50

　時間相似比：





　密度相似比：C_r=1:1.6

　彈模與強度相似比：C_e= C₁·C_r=1:80

原型岩層單向抗壓強度指標：粉砂岩35MPa，中砂岩55MPa，煤12MPa，粗砂岩60MPa。模型各分層間用雲母粉起分層作用，模型上部的覆岩荷載采用加載方式模擬。

3下位煤層開采的覆岩運動與結構以發育的分帶規律

下位煤層的覆岩運動與結構狀態如圖1中a-e所示。




　圖1 實驗圖像

　其主要規律有：

　（1）覆岩運動與結構可明顯地劃分為非平衡帶、準平衡帶及離層帶。四層煤冒落帶組成覆岩非平衡帶，其高度為7.32m（采高M=2.28m），即3.21M；造成工作麵周期來壓的老頂第一岩梁組成覆岩準平衡帶，其厚度為7.85m，頂部高度14.9m，即6.35M；老頂第二岩梁組成覆岩平衡帶，其厚度為6.32m，頂部高度為21.12m，即9.26M；其上部為離層帶。

　（2）非平衡帶（冒落帶）由m₁岩層組成，呈上、下兩個分層分別冒落，下分層厚度3.5m，初次垮落步距30m，其後基本上隨采隨冒，冒落塊度較大。

　（3）老頂第一岩梁由m₂粗砂岩與m₃細砂岩組成，初次來壓步距49m，周期來壓步距19m，層間有微量的層間錯動，為準平衡岩層；老頂第二岩梁由m₄岩沉積煤3組成，仍然呈現明顯的周期性運動，層間沒有錯動，為平衡岩層。

　（4）準平衡帶與平衡帶內岩層呈現明顯的周期性運動，頂板離層、斷裂所形成的離層有微量的層間錯動，平衡帶以上的岩層無層間錯動。煤2以上岩層為離層帶，離層帶內的岩層運動以離層裂隙為主，由輕微的斜交裂隙出現。

　（5）斜交裂隙按頂板斷裂步距周期性出現。呈向采空區後上方45°~50°的夾角發育，，以周期斷裂步距為周期平行分布，頂板中的主裂隙基本上是按45°角發育。離層裂隙、斜交裂隙在工作麵後方40m以後全部閉合。邊界裂隙與水平方向成60°夾角發育。

　（6）二層燈處於平衡帶上方、離層帶底部，隻產生離層裂隙及輕微的周期性斜交裂隙，並在工作麵後方及時得到閉合。二層煤及其頂底板結構保持完整，不發生台階錯動。三層煤鑒於四層煤覆岩準平衡帶上方，當準平衡岩層滿足平衡條件而發生的台階錯動時，三、四煤也可實行上行開采。先采四層煤能緩解二層煤的應力水平，降低煤層衝擊傾向，消除衝擊危險。

　4二層煤複合頂板上行開采的結構適應性

下位四層煤先行開采後，進行了上位二層煤托頂煤和夾矸開采的實驗研究，開切眼距煤4開采後的邊界裂隙15cm，煤2與煤4的開切眼連線與水平方向呈50°，而邊界裂隙與水平方向呈60°夾角，如圖1中f所示。對二層煤托頂煤及夾矸的上行開采實驗表明，由於上行開采的卸壓作用，二層煤複合頂板在控頂區上方能夠較好地維持頂板穩定，可以實現複合頂板煤層的上行開采。

　5結語

以孫壓煤礦二、四層煤為工程背景，通過上行開采的物理模擬，揭示了覆岩運動與結構發育的分帶規律、裂隙發育規律、上位煤層及頂底板結構特征，複合頂板上行開采的結構適應性。研究表明，二、四煤可以正常實行上行開采，為工業性試驗提供了形像直觀的依據。經此為依據，孫村煤礦在-800m水平三、四采區進行了上行開采的試驗研究，消除了二層煤工作麵衝擊地壓危險，省去了防衝環節；徹底改變了複合頂板的維護效果，工作麵推進速度與煤炭單產提高到1.8倍；回采巷道由原來的斷麵收縮率50%左右改觀為不發生明顯的變形，不需翻修。實現了深井高應力難采煤層的合理上行開采，大幅度提高了礦井的安全高效生產水平。目前，孫村煤礦已改革原有下行開采方式，實行二、四層上行開采，並在協莊、鄂莊礦推廣應用。

　 （曲華 蔣金泉 尹增德 薑領發）