我國為礦開采深度逐年增大，不少礦井采深已達到600m以上，一些礦井已達800~1100m。在深井高應力作用下，沖擊地壓、煤與瓦斯突出、巷道維護、復合頂板管理等一系列高地壓現(xiàn)象十會突出，嚴重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。改變常規(guī)的下行開采方式，優(yōu)化開采程序，實現(xiàn)部分煤層的全量上行開采是徹底解決深井高地壓危險的有效途徑。
新汶礦區(qū)孫壓煤礦已進入-800m水平開采，采深達到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方面的突出問題：
（1） 二層煤屬強烈沖擊傾向，沖擊地壓危害性大；
（2） 二層工作面托頂煤及夾矸開采，復合頂板管理困難，工作面生產(chǎn)安全狀況差，推進速度慢，并制約四層煤開采及礦井采掘接續(xù)；
（3） 二層復合頂板回采巷道支護難題大，巷道斷面收縮率高達50%左右，巷道維護狀況差，翻修工程最大，嚴重制約礦井正常生產(chǎn)。
因此，為徹底消除深井擊地壓、復合頂板管理、巷道支護等高地壓危害，大幅度提高礦井的安全高效生產(chǎn)水平，提出了深井高應力難采煤層上行卸壓開采的技術途徑，采用相似材料模擬研究方法，研究論證二、四層煤上行開采的可行性，為指導開采程序改革提供可靠的依據(jù)。
2物理模擬設計
相似材料物理模擬形象直觀，實驗周期短、見效快。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。實驗設計以相似理論為指導，相似材料由膠結料和填料組合而成，膠結料為石膏，同時加入碳酸鈣，填料為砂。立體模擬實驗的覆巖破壞狀態(tài)具有不可見性，而平面模擬實驗能夠直觀模擬既定條件下的覆巖破壞與結構狀態(tài)，能夠滿足本課題的要求。實驗采用的平面相似材料模擬實驗臺，由框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)3部分組成。規(guī)格為4m×0.3m×2m，有效實驗高度為1.8m。
相似模型型設計遵循幾何相似、時間相似、密度相似、強度相似和應力相似等基本相似條件[1]。相似比如下：
幾何相似比：C1=1:50
時間相似比：
密度相似比：Cr=1:1.6
彈模與強度相似比：Ce= C1·Cr=1:80
原型巖層單向抗壓強度指標：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下位煤層開采的覆巖運動與結構以發(fā)育的分帶規(guī)律
下位煤層的覆巖運動與結構狀態(tài)如圖1中a-e所示。
圖1 實驗圖像
其主要規(guī)律有：
（1）覆巖運動與結構可明顯地劃分為非平衡帶、準平衡帶及離層帶。四層煤冒落帶組成覆巖非平衡帶，其高度為7.32m（采高M=2.28m），即3.21M；造成工作面周期來壓的老頂?shù)谝粠r梁組成覆巖準平衡帶，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。
?。?）非平衡帶（冒落帶）由m1巖層組成，呈上、下兩個分層分別冒落，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。
?。?）老頂?shù)谝粠r梁由m2粗砂巖與m3細砂巖組成，初次來壓步距49m，周期來壓步距19m，層間有微量的層間錯動，為準平衡巖層；老頂?shù)诙r梁由m4巖沉積煤3組成，仍然呈現(xiàn)明顯的周期性運動，層間沒有錯動，為平衡巖層。
?。?）準平衡帶與平衡帶內(nèi)巖層呈現(xiàn)明顯的周期性運動，頂板離層、斷裂所形成的離層有微量的層間錯動，平衡帶以上的巖層無層間錯動。煤2以上巖層為離層帶，離層帶內(nèi)的巖層運動以離層裂隙為主，由輕微的斜交裂隙出現(xiàn)。
?。?）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。
?。?）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得到閉合。二層煤及其頂?shù)装褰Y構保持完整，不發(fā)生臺階錯動。三層煤鑒于四層煤覆巖準平衡帶上方，當準平衡巖層滿足平衡條件而發(fā)生的臺階錯動時，三、四煤也可實行上行開采。先采四層煤能緩解二層煤的應力水平，降低煤層沖擊傾向，消除沖擊危險。
4二層煤復合頂板上行開采的結構適應性
下位四層煤先行開采后，進行了上位二層煤托頂煤和夾矸開采的實驗研究，開切眼距煤4開采后的邊界裂隙15cm，煤2與煤4的開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。對二層煤托頂煤及夾矸的上行開采實驗表明，由于上行開采的卸壓作用，二層煤復合頂板在控頂區(qū)上方能夠較好地維持頂板穩(wěn)定，可以實現(xiàn)復合頂板煤層的上行開采。
5結語
以孫壓煤礦二、四層煤為工程背景，通過上行開采的物理模擬，揭示了覆巖運動與結構發(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構特征，復合頂板上行開采的結構適應性。研究表明，二、四煤可以正常實行上行開采，為工業(yè)性試驗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)進行了上行開采的試驗研究，消除了二層煤工作面沖擊地壓危險，省去了防沖環(huán)節(jié)；徹底改變了復合頂板的維護效果，工作面推進速度與煤炭單產(chǎn)提高到1.8倍；回采巷道由原來的斷面收縮率50%左右改觀為不發(fā)生明顯的變形，不需翻修。實現(xiàn)了深井高應力難采煤層的合理上行開采，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采方式，實行二、四層上行開采，并在協(xié)莊、鄂莊礦推廣應用。
（曲華 蔣金泉 尹增德 姜領發(fā)）
