我國(guó)為礦開(kāi)采深度逐年增大，不少礦井采深已達(dá)到600m以上，一些礦井已達(dá)800~1100m。在深井高應(yīng)力作用下，沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巷道維護(hù)、復(fù)合頂板管理等一系列高地壓現(xiàn)象十會(huì)突出，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。改變常規(guī)的下行開(kāi)采方式，優(yōu)化開(kāi)采程序，實(shí)現(xiàn)部分煤層的全量上行開(kāi)采是徹底解決深井高地壓危險(xiǎn)的有效途徑。

新汶礦區(qū)孫壓煤礦已進(jìn)入-800m水平開(kāi)采，采深達(dá)到1000m左右。井田內(nèi)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(gè)方面的突出問(wèn)題：

（1） 二層煤屬?gòu)?qiáng)烈沖擊傾向，沖擊地壓危害性大；

（2） 二層工作面托頂煤及夾矸開(kāi)采，復(fù)合頂板管理困難，工作面生產(chǎn)安全狀況差，推進(jìn)速度慢，并制約四層煤開(kāi)采及礦井采掘接續(xù)；

（3） 二層復(fù)合頂板回采巷道支護(hù)難題大，巷道斷面收縮率高達(dá)50%左右，巷道維護(hù)狀況差，翻修工程最大，嚴(yán)重制約礦井正常生產(chǎn)。

　因此，為徹底消除深井擊地壓、復(fù)合頂板管理、巷道支護(hù)等高地壓危害，大幅度提高礦井的安全高效生產(chǎn)水平，提出了深井高應(yīng)力難采煤層上行卸壓開(kāi)采的技術(shù)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(kāi)采的可行性，為指導(dǎo)開(kāi)采程序改革提供可靠的依據(jù)。

　2物理模擬設(shè)計(jì)

相似材料物理模擬形象直觀，實(shí)驗(yàn)周期短、見(jiàn)效快。前提是要在模型上能造成保持同一物理本質(zhì)而物理量大小成比例的相似現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以相似理論為指導(dǎo)，相似材料由膠結(jié)料和填料組合而成，膠結(jié)料為石膏，同時(shí)加入碳酸鈣，填料為砂。立體模擬實(shí)驗(yàn)的覆巖破壞狀態(tài)具有不可見(jiàn)性，而平面模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^模擬既定條件下的覆巖破壞與結(jié)構(gòu)狀態(tài)，能夠滿足本課題的要求。實(shí)驗(yàn)采用的平面相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)3部分組成。規(guī)格為4m×0.3m×2m，有效實(shí)驗(yàn)高度為1.8m。

相似模型型設(shè)計(jì)遵循幾何相似、時(shí)間相似、密度相似、強(qiáng)度相似和應(yīng)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(shí)間相似比：

　

　

　密度相似比：C_r=1:1.6

　彈模與強(qiáng)度相似比：C_e= C₁·C_r=1:80

原型巖層單向抗壓強(qiáng)度指標(biāo)：粉砂巖35MPa，中砂巖55MPa，煤12MPa，粗砂巖60MPa。模型各分層間用云母粉起分層作用，模型上部的覆巖荷載采用加載方式模擬。

3下位煤層開(kāi)采的覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)以發(fā)育的分帶規(guī)律

下位煤層的覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖1中a-e所示。
　

　

　圖1 實(shí)驗(yàn)圖像

　其主要規(guī)律有：

　（1）覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)可明顯地劃分為非平衡帶、準(zhǔn)平衡帶及離層帶。四層煤冒落帶組成覆巖非平衡帶，其高度為7.32m（采高M(jìn)=2.28m），即3.21M；造成工作面周期來(lái)壓的老頂?shù)谝粠r梁組成覆巖準(zhǔn)平衡帶，其厚度為7.85m，頂部高度14.9m，即6.35M；老頂?shù)诙r梁組成覆巖平衡帶，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巖層組成，呈上、下兩個(gè)分層分別冒落，下分層厚度3.5m，初次垮落步距30m，其后基本上隨采隨冒，冒落塊度較大。

　（3）老頂?shù)谝粠r梁由m₂粗砂巖與m₃細(xì)砂巖組成，初次來(lái)壓步距49m，周期來(lái)壓步距19m，層間有微量的層間錯(cuò)動(dòng)，為準(zhǔn)平衡巖層；老頂?shù)诙r梁由m₄巖沉積煤3組成，仍然呈現(xiàn)明顯的周期性運(yùn)動(dòng)，層間沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)，為平衡巖層。

　（4）準(zhǔn)平衡帶與平衡帶內(nèi)巖層呈現(xiàn)明顯的周期性運(yùn)動(dòng)，頂板離層、斷裂所形成的離層有微量的層間錯(cuò)動(dòng)，平衡帶以上的巖層無(wú)層間錯(cuò)動(dòng)。煤2以上巖層為離層帶，離層帶內(nèi)的巖層運(yùn)動(dòng)以離層裂隙為主，由輕微的斜交裂隙出現(xiàn)。

　（5）斜交裂隙按頂板斷裂步距周期性出現(xiàn)。呈向采空區(qū)后上方45°~50°的夾角發(fā)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(fā)育。離層裂隙、斜交裂隙在工作面后方40m以后全部閉合。邊界裂隙與水平方向成60°夾角發(fā)育。

　（6）二層燈處于平衡帶上方、離層帶底部，只產(chǎn)生離層裂隙及輕微的周期性斜交裂隙，并在工作面后方及時(shí)得到閉合。二層煤及其頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)保持完整，不發(fā)生臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)。三層煤鑒于四層煤覆巖準(zhǔn)平衡帶上方，當(dāng)準(zhǔn)平衡巖層滿足平衡條件而發(fā)生的臺(tái)階錯(cuò)動(dòng)時(shí)，三、四煤也可實(shí)行上行開(kāi)采。先采四層煤能緩解二層煤的應(yīng)力水平，降低煤層沖擊傾向，消除沖擊危險(xiǎn)。

　4二層煤復(fù)合頂板上行開(kāi)采的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性

下位四層煤先行開(kāi)采后，進(jìn)行了上位二層煤托頂煤和夾矸開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)切眼距煤4開(kāi)采后的邊界裂隙15cm，煤2與煤4的開(kāi)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(duì)二層煤托頂煤及夾矸的上行開(kāi)采實(shí)驗(yàn)表明，由于上行開(kāi)采的卸壓作用，二層煤復(fù)合頂板在控頂區(qū)上方能夠較好地維持頂板穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合頂板煤層的上行開(kāi)采。

　5結(jié)語(yǔ)

以孫壓煤礦二、四層煤為工程背景，通過(guò)上行開(kāi)采的物理模擬，揭示了覆巖運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)發(fā)育的分帶規(guī)律、裂隙發(fā)育規(guī)律、上位煤層及頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)特征，復(fù)合頂板上行開(kāi)采的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。研究表明，二、四煤可以正常實(shí)行上行開(kāi)采，為工業(yè)性試驗(yàn)提供了形像直觀的依據(jù)。經(jīng)此為依據(jù)，孫村煤礦在-800m水平三、四采區(qū)進(jìn)行了上行開(kāi)采的試驗(yàn)研究，消除了二層煤工作面沖擊地壓危險(xiǎn)，省去了防沖環(huán)節(jié)；徹底改變了復(fù)合頂板的維護(hù)效果，工作面推進(jìn)速度與煤炭單產(chǎn)提高到1.8倍；回采巷道由原來(lái)的斷面收縮率50%左右改觀為不發(fā)生明顯的變形，不需翻修。實(shí)現(xiàn)了深井高應(yīng)力難采煤層的合理上行開(kāi)采，大幅度提高了礦井的安全高效生產(chǎn)水平。目前，孫村煤礦已改革原有下行開(kāi)采方式，實(shí)行二、四層上行開(kāi)采，并在協(xié)莊、鄂莊礦推廣應(yīng)用。

　 （曲華 蔣金泉 尹增德 姜領(lǐng)發(fā)）