摘 要：针对长安煤矿4-2煤层埋深浅、煤层厚的开采技术条件，为了研究在河流下综放开采的可行性，以该矿4113工作面为实际工程背景，运用相似材料模拟实验，对工作面开采过程中的覆岩移动和破坏情况进行了分析。实验得出了工作面顶板垮落步距、覆岩“三带”变形和破坏特征，分析确定了导水裂隙带的高度。
关键词：综放开采；浅埋煤层；导水裂隙带；相似材料模拟
中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.01.092
1 引言
我国煤炭储量丰富、分布广泛，在一次能源消耗中占主导地位。我国是煤炭产出和消费大国，根据目前的社会发展形势和工业需求，煤炭的需求将稳中求升。但是，煤炭资源属的日益减少，加之其不可再生的本质，越来越不能满足我国工业经济发展的需求，煤炭将成为紧缺能源。在我国煤炭资源日益紧张和的受水影响的煤炭资源比重日渐加大的形势下，安全开采受水威胁的煤炭资源既是经济增长的需要也是生态环境保护的需要。陕西是我国的煤炭生产大省，地区煤层普遍具有厚度大、埋深浅的特点，煤炭开发条件优势十分明显。浅埋深、厚煤层的开采特点对于水体下安全开采提出了新的挑战和新的要求。
2 模型建立
2.1 实验模拟对象
4-2煤层埋藏深度为146～192m，煤层平均厚度8m，倾角为2.4°～8.6°，平均3.1°，4113工作面走向长1713.31m，倾斜长180m，推进速度平均6m/d，采出率85%。第四纪黄土层厚度4m，煤层伪顶为0.9m厚的泥岩，直接顶为3.6m厚的细粒砂岩，基本顶为5m厚的粗粒砂岩；基本底为7.38m厚的泥岩；煤层为低中灰、富硫、低磷、无粘结性、强结渣、高热值的富有煤。
2.2 试验设计与参数确定
实验采用平面应力模型，比例尺为1：200。设计模型高度为80cm～95cm，长度300cm，宽度20cm。
本次试验参数按物理量成比例原则，取值如下：
2.3 测点布置
在模型上布置4条位于煤层上方的水平观测线，从下往上依次为观测线A、观测线B、观测线C和观测线D，观测线A距离煤层10cm，观测线B距离观测线A为20cm，观测线C距离观测线B为20cm，观测线D距离观测线C为20cm；每条观测线上布置14个观测点。在模型地表安装了14个位移监测百分表，间距为20cm，用来观察地表下沉量。测点布置示意图见图1。
2.4 模型制作
基岩采用石英砂作为骨料，石膏和大白粉作为胶结剂；土层采用粘土和石英砂作为骨料。经计算得到各分层所需要的材料。在模型铺设过程中，整个基岩部分以1cm铺设，压制后作节理与分层处理。模型采用自然风干，按照时间相似比进行开挖。
3 过程简述
模型总长3m，两边各留0.3m边界煤柱，开采长度为2.4m（实际为480m）。拟定开采高度为8m，观测8m采高覆岩裂隙发育高度。实验过程中，设定开采步距为每天50cm（实际为100m）。最终观测时间在模拟开采停采5天后进行。
4 试验结果及分析
4.1 “三带”发育状况
当工作面推进到100m时，直接顶初次垮落，冒落带高度10.8m。当工作面推进到130m时，基本顶初次垮落，冒落带高度为26m。当工作面推进到160m时，基本顶周期性垮落，垮落步距为30m，垮落岩层高度为46m，其上覆岩层出现离层，高度为50m。当工作面推进到280m时，基本顶周期性垮落，垮落岩层高度发育为68m（观测线B处），其上覆岩层出现弯曲下沉现象，离层高度距底板116m（观测线C与观测线D之间），快发育到地表。当工作面推进到320m时，基本顶周期性垮落，距底板116m的离层区已经闭合，说明离层区上方岩层缓慢下沉，地表出现3条裂缝，小河沟处为闭裂缝、小河沟左侧48m处出现张裂缝，小河沟右侧62m处出现一条张裂缝。当工作面推进到480m时，到达停采线位置，由试验可得出，冒落带高度为26m（冒高比为3.25），导水裂隙带高度为116m（裂高比为14.5），地表出现6条裂缝，开切眼处岩层破断角为55°，工作面覆岩周期性岩层破断角为49°～54°。
4.2 岩层观测线移动情况
开采模型稳定后，在模型全景图上按照实际尺寸对观测点进行下沉素描。经过测算，观测线A上的观测点最大下沉值为6.409m，观测线B上的观测点最大下沉值为4.243m，观测线C上的观测点最大下沉值为3.462m，观测线D上的观测点最大下沉值为2.68m。
5 Y论
通过相似材料模拟实验，对4113工作面在浅埋深、大采高综放开采条件下的覆岩破坏进行研究，得出以下结论：
（1）煤层上覆岩层在开采过程中移动和破坏特征明显，较为明显地形成“三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。
（2）当开采高度为8m时，导水裂隙带高度为116m（裂高比为14.5），导水裂缝带的发育高度不会与地表河流导通，可以进行安全回采。
（3）对地表下沉量进行观测，得出地表最大下沉值为2680mm，位于河沟附近，地表虽出现裂缝和下沉，但并未与导水通道贯通。
参考文献
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