贵州山区浅埋深煤层开采地表变形相似模拟试验研究

王祥松+王加松+曾茂秋+陆庆文

摘 要：本试验以盛远煤矿40803工作面现场地质条件为原型，运用相似模擬试验的方法，研究采场矿压显现规律与围岩活动机理，及地表变形情况，为确定合理的地表变形控制技术提供科学依据。

关键词：浅埋深煤层；相似模拟；矿压显现规律；地表变形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.039

1 工程概况

盛远煤矿位于六盘水市钟山区大湾镇和威宁县东风镇境内，盛远煤矿为平硐+斜井开拓，单水平上下山开采，开采方式为走向长壁后退式，采用综合机械化采煤，全部垮落法管理顶板，设计生产能力90万t/a，服务年限79a。含可采及局部可采煤层6层，即2#、4#、7#、8#、9#、11#煤层，总厚度为5.55～18.48米，一般为11.27米，主要可采煤层为2#、4#、11#，局部可采煤层为7#、8#、9#，煤层平均倾角在7～12°，其余煤层均不可采，或仅个别点达到可采厚度，可采煤层的顶底板均含有泥质、砂质、粘土质等封闭性岩层，岩性极其松软，透气性差。

2 相似模拟模型方案设计

设计的模型为平面应力模型，尺寸为长×宽×高=400cm×30cm

×180cm。根据工作面的地质构造条件，从煤层底板开始，首先铺设下部岩层，然后结构面通过撒上云母粉来模拟，之后上部地层模型用同样的方法制作。试验前在距离模型一侧边缘50cm处开挖切眼，切眼宽度2.4cm，高度2.6cm，按1：100的比例设计。模型两边各留50cm边界煤柱，如下图1所示。

在水平和垂直方向上分别每隔40cm、40cm设置一条观测线，在模型表面形成纵向和横向40cm×40cm的方格，地表位移监测点沿地表线布置，间距为40cm，通过工作面开采过程监测上覆岩层的运移变化规律、垮落状况，及地表垂直和水平位移情况。

3 结论

以盛远煤矿40803工作面实际地质条件为根据，结合相似模拟试验，通过对其采场覆岩结构及运动规律与矿压显现规律进行的深入分析研究，得出以下主要结论：

（1）三带的高度。垮落带：煤层顶板岩层，断裂裂缝密集，顺层开裂充分，煤层采出后，顶板自下而上逐层垮落，在煤层不断延伸开挖，跨落带高度达到10～14cm；裂隙带：底部靠近垮落带的岩层，层间离层开裂明显，分层性好，垂直或倾斜裂缝发育，且变为断裂裂缝，在垮落带离层后，裂隙带变形显著，垮落带最大高度达到15～30cm；在裂隙带缓慢下沉时，弯曲下沉带开始发育下沉，范围为裂隙带以上直至地表层，高度达到20～35cm。

（2）地表变形。煤层开采过程为监测地表垂直和水平位移情况，地表位移监测点沿地表线布置，间距为40cm，从模型左边开切眼方向往右，编号依次2#、4#、7#、8#、9#、11#，煤层开采后地表垂直和水平位移情况如下：

测点变形量如图2、图3所示。

根据图2、图3分析可知，以2#测点，在4号煤层向前不断开挖，7#、8#、9#、11#缓慢下沉，下沉量随着煤层想前开挖延伸，煤层下沉量不断加大。以4#测点，在7号煤层向前不断开挖， 8#、9#、11#缓慢下沉，下沉量随着煤层想前开挖延伸，煤层下沉量不断加大。2#、4#、7#、8#、9#、11#所有煤层开采后，工作面中部变形最大，达到32.3cm。两旁留50cm煤柱，进行留煤柱开挖，随着煤层不断开挖，地表缓慢下沉，在开挖2#煤层完时，地表下层量不是很明显，但随着4#、7#、8#、9#、11#煤层开挖，煤层下沉量不断加大，两边下沉连缓慢，中间部分下沉比较显著，在全部煤层开挖完后，中间下沉最大，下沉量达到32.3cm，地表受到严重破坏。

参考文献：

[1]程远平，俞启香，袁亮.上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽采技术[J].辽宁工程技术大学学报，2003，22（04）：483-486.

[2]钱鸣高，缪协兴，许家林.岩层控制的关键层理论[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]石必明，俞启香，周世宁.保护层开采远距离煤岩破裂变形数值模拟[J].中国矿业大学学报，2004，33（03）：259-263.

作者简介：王祥松（1994-），男，贵州安顺人，本科。endprint