Material Simulation Study on Large Height and Compound Roof Mining in Datong Carboniferous Coal Seam
Liu Wen；Zhang Chunshan
（①Technology Center of Coal Mine，Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong 037003，China；
②Yongdingzhuang Coal Mine，Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong 037003，China）
摘要： 以白洞矿C3#煤层301盘区8108工作面开采条件为基础，应用相似材料模拟方法，研究了开采后上覆岩层运动的过程、变化及特点，探讨了上覆岩层运动的规律及煤壁失稳情况；根据模拟结果，分析了开采范围内支承压力峰值的变化及对顶板的影响。
Abstract: Overlying strata of No.8108 working face, 301 panel, NO.C3 coal seam in Baidong coal mine is material simulated to study the movement law and instability characteristic. Based on the test result, the change of maximum abutment pressure as well as whose effects on roof is also analyzed.
关键词： 大采高 相似材料模拟 矿压显现
Key words: large mining height；similar material simulation；strata pressure behavior
中图分类号：TD82文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0019-02
0引言
实践证明，大采高工作面矿压显现与综放及分层开采有明显不同[1~5]，如放顶煤开采出现架载荷不仅不增加反而减小5%~68%，载荷强度减小15%~20%，支架动载不明显，支架前柱工作阻力大于后柱，支柱载荷中心靠煤壁等[6~7]现象。近年来，针对上述问题进行了大量的理论研究，取得了重要的进展[8~9]，然而尚不成熟。
1相似模拟的基本条件
相似材料模拟原型为白洞矿C3#煤层301盘区8108工作面，煤层最小厚度为3.6m，最大厚度为5.8m，平均厚度4.43m，煤层倾角为3.5°~7°，平均5.5°，夹石最小厚度为0.1m，最大厚度为0.7m，煤层结构简单，直接顶砂质泥岩，单轴抗拉强度为49.73Mpa，老顶为砂砾岩，单向抗拉强度为108.56Mpa，底板为粉砂岩，单轴抗压强度为78.6Mpa，工作面平均埋藏深度为975m，走向平均长度为870m，工作面长度为181m。
2试验方法及模型制作
为完成上述研究内容，本试验在300mm×15mm×30mm的平面应力实验台上进行，采用的几何相似比为1：100。本次试验铺设总厚度为150cm，在铺设过程中，严格按照各煤岩层的实际尺寸折算后来施工。每次铺设厚度为1.5cm，尽量保障平稳均匀，每层间加云母粉使模型层理分明。各煤岩层具体用量见表1。
模型铺设高度为150cm，这样还有250cm的剩余高度，采用液压油缸来加压模拟其产生的压力。由于大采高8108工作面地表为岩层，因此，250m的深度产生的压力为
σ=h·γ=130×2.5×1000×9.8=2.6（MPa）
σ=h·γ=250×2.5×1000×9.8=6.1(MPa)
根据模型的尺寸，以及预定比例，实际加载压力为
F=σ·s/1000=6.1×106×4.2×0.25/1000=6.4（KN）
模型设计方案见图1。
为了真实反映开采过程中煤岩层应力的变化趋势和大小，铺设模型时，在煤层和岩层中设置了测量应力的基点，采用灵敏度极高的压力盒来测量，共布置4条水平测线，测线间距为200mm，测线距离底板距离分别为0cm，10cm，20cm，40cm。应力测点编号如图2所示，合计应力测点52个。
为了分析应力随开采推进度的变化，沿开采方向上与压力盒基点的布置相对应，在两个不同的层位设置两排位移计，来观测工作面开采过程中上覆岩层垂直位移的变化情况，位移计分别安设在距煤层底板16cm老顶中部位置，以及距煤层底板28cm上位老顶中部的位置，它们之间相隔20cm，老顶岩层布置10个，上位老顶岩层布置9个，共计19个位移计。
3实验结果分析
模型中安设了压力盒，以记录相应的应力，传感器的信号统一由实验室的YE2539数据采集器来自动采集，数据采集由计算机控制，并进行数据处理。
3.1 模型开采与煤壁失稳移动过程描述
3.1.1 当工作面推进距切眼6cm（实际推进约6m）时，此时推进的长度等于模型的宽度，工作面直接顶和煤壁未见明显的垮落和破坏，但煤壁上方已经出现明显离层现象，见图3。
3.1.2 随工作面推进，当工作面推进8cm（实际推进8m）时，直接顶出现明显的垮落，垮落高度为1m，老顶出现了离层，煤壁出现破裂线，见图4，此时可近似作为顶板运动加剧，并伴随煤壁开始失稳的开始。
3.1.3 其后推进16cm（实际推进16m）停止。煤壁失稳碎裂明显，裂断最先从顶部开始，裂缝延伸至顶板以下8.5cm左右，并与顶板形成70°左右夹角，实际高度1.7m，深度约为0.3~0.4cm左右，持续一段时间后煤壁顺裂缝断裂。
3.2 推进过程中压力传感器数据分析结果进行相似模拟试验的过程中，可以获得大量应力和位移的实验数据，经过分类整理得到了沿工作面开采方向煤壁前方不同煤岩层中支承压力的分布情况，见图5为工作面初次来压后正常开采时煤壁前方支承压力分布情况。
从图中可以得到如下几点结论：
3.2.1 支承压力分布范围在工作面前方30m左右，煤壁中的支承压力略大于顶板岩层（23cm层位为老顶岩层）中的支承压力。
3.2.2 支承压力在距离煤壁7m处出现峰值。
3.3 顶板运移分析本次相似模拟实验共安设19个位移计，通过整理分析所得数据，其中有如下几个测区的数据可以作为现场分析运用。图6、7、8、9分别为距开切眼不同距离时顶板位移变化情况。
从图中可以看出，在工作面刚开始回采时（图6），顶板位移很小，而且在工作面煤壁后方呈悬空状态，位移不再急剧增加；工作面正常开采时，老顶初次垮落后（图8，9），顶板位移量急剧增大。
通过对整个工作面开采方向上垂直位移分析，可以得出如下几点基本结论：
3.3.1 顶板位移出现的具体位置不能确定，因为沿开采方向上地质条件不同，其垂直位移发生的位置是不一样的，只能给出范围，即距工作面煤壁前方大约30～80m的位置开始出现位移。具体而言在那个位置出现依工作面的情况而定。
3.3.2 老顶发生跨落的位置也不能给出一个确切的值，只能给出相对的范围，即采空区距离工作面煤壁大约2～20m的范围内老顶岩层发生跨落。道理相同，具体位置依具体情况而定。
3.4 上覆岩层的位移观测与分析根据观测的数据，经过认真的整理，得到了上覆岩层的水平位移和垂直位移。
4结语
根据相似理论和现场综合柱状具体条件，确定开采模拟模型比例为1：100。对上覆岩层、上位老顶、老顶、直接顶、煤层和基本底六个层位进行模拟实验，布置测点138个，通过电子经纬仪观测其受采动影响的位移数据变化。并在煤层上覆岩层顶板布置压力盒传感器和位移计，所测相关数据都经计算机处理，得到直接顶初次垮落步距31m，老顶初次垮落步距53.4m，模拟开采经历了10次周期垮落，平均垮落步距16.3m，老顶呈倒台阶垮落，垮落前后形状对称，垮落角为50°左右。煤岩层的支承压力在距离煤壁大约30m的位置处于原岩应力状态，然后开始逐渐增加，直到达到峰值。支承压力距煤壁前方大约5～7m的位置出现峰值。随着开采的推进度加大，工作面煤壁前方上覆岩层的垂直位移变化受到采动影响的范围逐渐加大。
参考文献：
[1]宋振骐，赵经彻.放顶煤开采岩层移动和矿山压力控制[C].2000年综采放顶煤与安全技术研讨会论文集，19-26.
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