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深井高地压煤层上行开采的物理模拟研究

我国为矿开采深度逐年增大，不少矿井采深已达到600m以上，一些矿井已达800~1100m。在深井高应力作用下，冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道维护、复合顶板管理等一系列高地压现象十会突出，严重制约着矿井的安全高效生产。改变常规的下行开采方式，优化开采程序，实现部分煤层的全量上行开采是彻底解决深井高地压危险的有效途径。

新汶矿区孙压煤矿已进入-800m水平开采，采深达到1000m左右。井田内上组煤的主采煤层为二、四层煤，煤层倾角为19°~24°，二、四层煤层间距平均为22m，二层煤下位厚度一般为2.6~2.8m，中部含有厚度为0.4~0.6m的夹矸，上位煤线厚度0.3~0.4m左右。深井高地压二、四层下行采中存在三个方面的突出问题：

（1） 二层煤属强烈冲击倾向，冲击地压危害性大；

（2） 二层工作面托顶煤及夹矸开采，复合顶板管理困难，工作面生产安全状况差，推进速度慢，并制约四层煤开采及矿井采掘接续；

（3） 二层复合顶板回采巷道支护难题大，巷增城道断面收缩率高达50%左右，巷道维护状况差，翻修工程最大，严重制约矿井正常生产。

因此，为彻底消除深井击地压、复合顶板管理、巷道支护等高地压危害，大幅度提高矿井的安全高效生产水平，提出了深井高应力难采煤层上行卸压开采的技术途径，采用相似材料模拟研究方法，研究论证二、四层煤上行开采的可行性，为指导开采程序改革提供可靠的依据。

2物理模拟设计

相似材料物理模拟形象直观，实验周期短、见效快。前提是要在模型上能造成保持同一物理本质而物理量大小成比例的相似现象。实验设计以相似理论为指导，相似材料由胶结料和填料组合而成，胶结料为石膏，同时加入碳酸钙，填料为砂。立体模拟实验的覆岩破坏状态具有不可见性，而平面模拟实验能够直观模拟既定条件下的覆岩破坏与结构状态，能够满足本课题的要求。实验采用的平面相似材料模拟实验台，由框架系统、加载系统和测试系统3部分组成。规格为4m×0.3m×2m，有效实验高度为1.8m。

温度仪器相似模型型设计遵循几何相似、时间相似、密度相似、强度相似和应力相似等基本相似条件[1]。相似比如下：

几何相似比：C1=1:50

时间相似比：

密度相似比：Cr=1:1.6

弹模与强度10⑵000（N·M）相似比：Ce= C1·Cr=1:80

原型岩层单向抗压强度指标：粉砂岩35MPa，中砂岩55MPa，煤12MPa，粗砂岩60MPa。模型各分层间用云母粉起分层作用，模型上部的覆岩荷载采用加载方式模拟。

3下位煤层开采的覆岩运动与结构以发育的分带规律

下位煤层的覆岩运动与结构状态如图1中a-e所示。

图1 实验图像

其主要规律有：

（1）覆岩运动与结构可明显地划分为非平衡带、准平衡带及离层带。四层煤冒落带组成覆岩非平衡带，其高度为主要组成部份7.32m（采高M=2.28m），即3.21M；造成工作面周期来压的老顶第一岩梁组成覆岩准平衡带，其厚度为7.85m，顶部高度14.9m，即6.35M；老顶第二岩梁组成覆岩平衡带，其厚度为6.32m，顶部高度为21.12m，即9.26M；其上部为离层带。

（2）非平衡带（冒落带）由m1岩层组成，呈上、下两个分层遮光罩分别冒落，下分层厚度3.5m，初次垮落步距30m，其后基本上随采随冒，冒落块度较大。

（3）老顶第一岩梁由m2粗砂岩与m3细砂岩组成，初次来压步距49m，周期来压步距19m，层间有微量的层间错动，为准平衡岩层；老顶第二岩梁由m4岩沉积煤3组成，仍然呈现明显的周期性运动，层间没有错动，为平衡岩层。

（4）准平衡带与平衡带内岩层呈现明显的周期性运动，顶板离层、断裂所形成的离层有微量的层间错动，平衡带以上的岩层无层间错动。煤2以上岩层为离层带，离层带内的岩层运动以离层裂隙为主，由轻微的斜交裂隙出现。

（5）斜交裂隙按顶板断裂步距周期性出现。呈向采空区后上方45°~50°的夹角发育，，以周期断裂步距为周期平行分布，顶板中的主裂隙基本上是按45°角发育。离层裂隙、斜交裂隙在工作面后方40m以后全部闭合。边界裂隙与水平方向成60°夹角发育。

（6）二层灯处于平衡带上方、离层带底部，只产生离层裂隙及轻微的周期性斜交裂隙，并在工作面后方及时得到闭合。二层煤及其顶底板结构保持完整，不发生台阶错动。三层煤鉴于四层煤覆岩准平衡带上方，当准平衡岩层满足平衡条件而发生的台阶错动时，三、四煤也可实行上行开采。先采四层煤能缓解二层煤的应力水平，降低煤层冲击倾向，消除冲击危险。

4二层煤复合顶板上行开采的结构适应性

下位四层煤先行开采后，进行了上位二层煤托顶煤和夹矸开采的实验研究，开切眼距煤4开采后的边界裂隙15cm，煤2与煤4的开切眼连线与水平方向呈50°，而边界裂隙与水平方向呈60°夹角，如图1中f所示。对二层煤托顶煤及夹矸的上行开采实验表明，由于上行开采的卸压作用，二层煤复合顶板在控顶区上方能够较好地维持顶板稳定，可以实现复合顶板煤层的上行开采。

5结语

以孙压煤矿二、四层煤为工程背景，通过上行开采的物理模拟，揭示了覆岩运动与结构发育的分带规律、裂隙发育规律、上位煤层及顶底板结构特征，复合顶板上行开采的结构适应性。研究表明，二、四煤可以正常实行上行开采，为工业性试验提供了形像直观的依节能灯据。经此为依据，孙村煤HD：HA+720℃/16h/AC+650℃/16h/AC矿在-800m水平三、四采区进行了上行开采的试验研究，消除了二层煤工作面冲击地压危险，省去了防冲环节；彻底改变了复合顶板的维护效果，工作面推进速度与煤炭单产提高到1.8倍；回采巷道由原来的断面收缩率50%左右改观为不发生明显的变形，不需翻修。实现了深井高应力难采煤层的合理上行开采，大幅度提高了矿井的安全高效生产水平。目前，孙村煤矿已改革原有下行开采方式，实行二、四层上行开采，并在协庄、鄂庄矿推广应用。

（曲华 蒋金泉 尹增德 姜领发）

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