石港煤业15109综放工作面覆岩破断规律研究

芦宝玉

（山西石港煤业有限责任公司，山西 左权 032612）

0 引言

综采放顶煤采煤法具备巷道布置简单、回采效率高、人力成本低等特点[1]，综放开采虽然具备上述优点，但也伴随大量问题，如资源回收率低、放煤后瓦斯积聚等问题，对此，大量学者进行研究：许延春[2]提出一种适用于综放工作面中硬、软岩围岩条件下的“两带”发育高度经验计算公式；王国法[3]建立了支架围岩耦合控制力学模型，提出了大采高综放开采支架设备选型的依据；闫少宏[4]对大采高综放开采的工作面参数、煤炭资源采出率等问题进行探讨；张宏伟[5]通过理论分析提出综放工作面覆岩顶板破坏高度，应用计算机数值仿真的方法予以验证；王金华[6]通过理论分析与现场实测相结合的方法提出了高产高效放煤技术与“低赋存、高涌出”条件下的安全开采综合技术。

尽管针对综放开采，我国已有部分学者做出大量研究，但综放工作面覆岩顶板垮落规律一直以来仍是综放开采的研究重点之一，对此，以石港煤业15109工作面为研究背景，通过理论分析与物理相似模拟的方法，分析综放工作面覆岩顶板运移规律，研究结果可对同类地质条件下的综放开采顶板治理问题提出指导。

1 工程背景

石港煤业15109工作面埋深平均埋深421m，工作面走向长度1172m，倾向长度150m，煤层倾角平均6°，工作面煤层厚度平均7.21m，煤层赋存稳定，一般含3层夹肝，煤层节理发育，具体顶底板岩性参数见表1。

表1 15109工作面顶底板岩性参数表

2 相似模拟试验

2.1 相似模拟试验模型设计

试验以石港煤业15109综放工作面为背景，直接顶、老顶分别为泥岩、石灰岩，直接底为泥岩，老底为铝土质泥岩，建立15109综放工作面相似模拟试验模型，模拟设计相似比如下：

1）几何相似比。

几何相似比旨在将试验模型与原始地层的几何尺寸以一定比例同比例缩放，几何相似比计算方法如式（1）：

式中：Ly为原始地层尺寸；Lm为试验模型尺寸；Cl为几何相似比。最终确定几何相似比为100:1。

2）容重相似比。

容重相似比旨在将试验模型与原始地层的容重以一定比例同比例缩放，容重相似比计算方法如式（2）：

式中：Cy为原始地层容重；Cm为试验模型容重；Cγ为容重相似比。取原始地层容重为2.6g/cm3，试验模型取平均容重为1.7g/cm3，最终确定容重相似比为1.53:1。

3）应力相似比。

应力相似比旨在将试验模型与原始模型的应力分布以一定比例同比例缩放，应力相似比计算方法如式（3）：

式中：αy为原始地层平均密度；αm为试验地层平均密度，最终确定应力相似比为153:1。

2.2 相似模拟试验配比确定

相似模拟试验常以粉煤灰、大白粉、石膏骨料、河沙、水等作为原材料，以一定比例配合制备，按上述相似比记性调配，结合矿区地质资料及试验测得的岩石力学参数，确定能够适应矿区实际环境的各岩层力学参数，最终计算得出配比参数见表2。

2.3 相似模拟试验结果

设计模型左右两边各预留50m宽度的边界煤柱，工作面开挖步距3m，模拟工作面开采过程时，采放比1:1.76，采用随采随放工艺进行施工，同时用模拟支架替代工作面的移架过程，同时在模型中布置测点，监测模型开挖后应力分布状况。

工作面推进至64m时，顶板初次垮落，左侧顶板跨落角45°，右侧跨落角38°，垮落带发育高度23.2m，顶板悬顶距离为38m，在放煤工作开始之前，顶板以“砌体梁”形式稳定铰接，采空区左右两的岩块分别发生正向回转与反向回转，顶板跨落后形成稳定的拱形结构，最大裂隙高度为6.8m，当移动支架放出顶煤后，顶板继续向前跨落，最终区域稳定，顶板初次垮落图如图1所示。

表2 15109工作面相似模拟试验配比参数表

图1 相似模拟试验顶板初次垮落图

工作面推进至79m时，工作面上方顶板再次垮落，左侧回转角为44°，与初次来压时差异不大，右侧回转角降至32°。顶板裂隙带进一步向上方扩展，初次来压期间的空顶区域逐渐被压实，同时在其上方约22m的位置出现新的空顶区域，顶板悬空长度减小，由原来的38m减小为28m，垮落的岩体重新分布后重新区域稳定，表明工作面推进存在周期来压现象，随着顶煤的放出，顶板继续垮落，垮落范围沿横向纵向均有所拓展，由此能够得出，在顶煤放出过程中，顶板上方积聚的能量得到释放，此时支架所受压力较大，应该在这一阶段加强支架设备的管理等措施。

随着工作面的持续推进，工作面周期来压现象也间断发生，累计共发生来压现象8次，其中初次来压1次，周期来压7次，平均周期来压步距15m，第三、四、六、七次周期来压时垮落图如图3所示。

图3 相似模拟试验周期来压垮落图

在工作面推进过程中，采用模拟支架代替工作面液压支架，通过模型中布置的测点测定支架支护阻力如图4所示。由图4可知，支架在工作面推进过程中，共监测到来压次数为8次，其中，在工作面推进至64m时，支架支护阻力剧增，达到4987kN。

图4 模拟支架支护阻力分布图

3 现场实测研究

结合相似模拟试验结果，在15109工作面进行现场应用，现场液压支架支护阻力分布图如图5所示，由图5可知，工作面在推进至66m时，支架支护阻力剧增，达到5050kN，随着工作面的继续推进，老顶随工作面推进持续垮落，在工作面推进至81m处，支架支护阻力再度剧增，判定此时工作面发生周期来压，周期来压步距为15m，与相似模拟结果基本吻合，且在周期来压发生过程中，存在强弱交替的矿压显现现象，周期来压持续时间呈短长交替式分布。

图5 现场液压支架支护阻力分布图

4 结论

1）相似模拟试验结果表明，15109工作面初次来压步距64m，支架支护阻力4987kN，来压期间顶板垮落带发育高度达到23.2m，周期来压平均步距15m，平均支护阻力4768kN，与初次来压相比，周期来压采空区左侧跨落角变化不大，右侧跨落角有一定程度上地降低。

2）现场实测结果表明，15109工作面初次来压步距与周期来压步距均几乎与相似模拟试验所得结果吻合，且在周期来压发生过程中，存在强弱交替的矿压显现现象，周期来压持续时间呈短长交替式分布。