弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究
弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究本文以营盘壕煤矿2201工作面地质采矿条件为依托原型,采用实测数据分析、数值模拟实验与相似材料模拟实验相结合的方法,对弱胶结覆岩高强度开采下的地表与岩层移动变形规律进行了研究,取得的主要研究成果如下:1)对营盘壕矿区岩层进行实地取样并进行力学实验,实验表明90%的岩层抗压强度均低于30MP,且岩层结构均以泥质胶结为主,具有胶结性差、易风化、对扰动敏感等物理特性,故确定了营盘壕矿区上覆岩层均属于弱胶结性岩层。2)根据现场实测数据绘制出了地表移动变形曲线图,揭示了弱胶结覆岩地表动态移动变形的变化规律;并进一步详细对比分析了营盘壕煤矿与临近的小纪汗煤矿的地质采矿参数与岩层结构,采用类比法确定了营盘壕煤矿2201工作面地表预计参数大小。3)采用数值模拟实验研究了一次性采全高与分层开采两种开采方式下的地表与覆岩移动变形规律以及覆岩内部应力场、塑性区变化规律,揭示了在弱胶结覆岩地层条件下更适合一次性采全高的开采方式,为2201工作面实际开采时提供了理论支撑。4)将理论分析与相似材料模拟实验结果相结合,得出了直接顶应力随着距离开切眼距离的不同而呈现不同类型函数的变化规律;且在高围压状态下,弱胶结覆岩由于自身物理性质而易产生假塑性弯曲,这些“假塑性体”内部产生了与正应力呈不同角度的裂隙,依然可以看成为两端固定,中间悬空的“简支梁”平衡结构;对于地表移动变形而言,下沉曲线收敛速度较一般地质采矿条件下的地表下沉曲线收敛速度慢,且下沉值偏小。5)以弱胶结覆岩岩层动态移动过程为研究基
础,建立了弱胶结覆岩开采岩层移动力学模型。并以该力学模型为理论依据,结合材料力学相关知识,推导出了新的弱胶结覆岩开采垮落带发育高度的预测方法。6)理论分析了弱胶结覆岩地表下沉系数远远小于我国东部软岩条件下开采的经验下沉系数的四个因素。三个次要因素:弱胶结覆岩水化膨胀因素、似“覆岩离层注浆”因素、冲洪积砂的流动性因素;一个主要因素:岩层的巨厚特性因素。岩层巨厚的特点使得其在岩层移动变形向地表传递的过程中形成了类似于东部煤矿坚硬岩层的抗变形的作用。
多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验
Vol．38No．4Jul．2011水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY ＆ENGINEERING GEOLOGY 第38卷第4期 2011年7月 多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的 相似模拟实验研究 张志祥1，张永波1，赵志怀1，张利民 2 （1．太原理工大学水利科学与工程学院，太原030024；2．山西省交通设计研究院，太原030012） 摘要：以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型，采用相似材料模拟实验方法，对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明：多煤层开采条件下，随着煤层累计采厚的增加，采空区“三带”覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势，采空区上覆岩体更加破碎， 地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。关键词：多煤层开采；覆岩；相似模拟；采空区；变形 中图分类号：TD325．+ 2 文献标识码：A 文章编号：1000- 3665（2011）04-0130-05收稿日期：2010-07-13；修订日期：2010-10-28基金项目：国家自然科学基金资助项目（30470269） 作者简介：张志祥（1970-），男，硕士，讲师，主要从事工程地质 和岩土工程方面的教学和研究工作。E-mail ：zhangzx666666@126．com 煤炭开采过程中产生的一系列覆岩移动及地表变形规律，受到了学者们的高度重视，如刘秀英等［1］ 采 用相似模拟实验研究了辛置煤矿2204工作面采空区 覆岩的移动规律；刘瑾等［2］ 进行了采深和松散层厚度 对开采沉陷地表移动变形影响的数值模拟研究；孙光 中等 ［3］ 采用数值模拟和相似材料模拟对巨厚煤层开 采覆岩运动规律进行了研究。以上研究主要是针对单一煤层开采进行的， 得出了许多有益的经验与结论，为指导单煤层开采及采空区地基处理等提供了参考。 近年来，随着我国煤炭开采强度的增大及开采深度的增加， 许多矿区形成了多煤层采空区。由于我国土地资源有限，许多高速公路不可避免地要通过多煤层采空区， 在建设过程中，有可能使原本相对稳定的采空区覆岩平衡遭到破坏，地表再次产生沉陷变形，危及公路的安全。由于单煤层开采覆岩移动及地表变形规律不同于多煤层开采， 加上各地采矿地质条件的差异，其成果对于多煤层来说，就失去了普适性。因此，研究多煤层开采覆岩移动及地表变形规律对保护高速公路的安全有重要的意义。已有学者对多煤层开采给予关注， 并取得一定成果。李全生等［4］ 利用相似材料模拟 和数值模拟研究了多煤层开采相互采动的影响规律，为煤柱留设及确保巷道安全提供了参考；夏筱红等 ［5］ 进行了多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟研究，为安全回收煤炭资源提供了依据。二者都是以指导采煤为目的，对高速公路下伏多煤层覆岩移动研究有一定的借鉴， 但由于没有考虑采空区的地表变形，不便于具体指导高速公路下伏采空区治理。目前，高速公路下伏多煤层开采覆岩移动及地表变形规律研究成果仍然很少。为确保高速公路的安全，非常有必要开展这项研究。离石—军渡高速公路LK21+340 LK21+900段通过康家沟煤矿采空区，该矿主要开采4号、5号和10号煤层。本文采用相似材料模拟实验方法，对康家沟煤矿多煤层开采覆岩移动及地表变形规律进行了研究，以期为高速公路下伏多煤层采空区治理设计提供依据。 1研究区地质概况 研究区位于吕梁山脉中段西侧黄土丘陵区，地表 由黄土覆盖。地层自上而下为第四系、二叠系和石炭系，简述如下： （1）第四系中更新统离石组（Q 2l ）：分布于塬、梁、峁及冲沟两侧，为风积及冲积形成，岩性以黄土为主，棕黄色、浅棕红色亚粘土，夹数层棕色古土壤层、钙质结核层及透镜状砂卵石层，硬塑－坚硬状态，柱状节理发育，多层结构类型。厚20 50m 。 （2）二叠系上统上石盒子组（P 2s ）：岩性为灰绿、黄绿、灰紫色页岩与灰绿色长石石英杂砂岩互层，由下向上紫色页岩逐渐增多，浅黄、灰黄、浅灰色中细砂岩和泥岩组成。其底部标志层岩性为紫红色、灰黄色铝土质鲕粒泥岩，含丰富的铁锰质。本组厚度约390m 。
第一章 开采引起的岩层与地表移动
第一章开采引起的岩层与地表移动 煤矿开采的三性特殊性、艰巨性和困难性； 特殊困难条件下的开采 三下一上（建筑物下、铁路下、水体下和承压水上）；有冲击地压危险的煤层；有煤与瓦斯突出危险的煤层；三软煤层；深部；边角煤；极薄煤层。 采用特殊开采工艺方式 短壁开采；充填采煤；上行开采；水力采煤；煤与煤层气共采；煤的地下气化 1、下沉及变化规律 主断面内地表移动向量的铅直分量,用W表示。坐标O点:最大下沉值处的地表点W坐标轴向下为正，单位为mmx坐标轴向右为正，单位为mW=W（x）最大下沉值在盆地中央，Wo=W5； x增加，W由零增加到最大，而后又趋于零W（-x）=W（x）；边界点由d0决定；下沉曲线凹凸分界的拐点处，下沉值约为最大值的一半 2、倾斜 倾斜是指地表单位长度内下沉的变化，用i表示单位为mm/m，i坐标轴向下为正 倾斜是地表下沉的一阶导数，i(x) 正负号的决定：① i=tga 下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+a时,倾斜为正; 下沉曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-a时倾斜为负。 倾斜的正负号的物理意义；垂直于地表下沉曲线的杆状物倾倒的趋向与x轴正向相同时，倾斜为正；杆状物倾倒的趋向与x 轴负向相同时倾斜为负。 3、水平移动 水平移动-地表移动向量的水平分量,用U表示，单位为mm，U=U（x）,有两组方向不同的水平移动
规定:正值的水平移动与x轴的正方向一致 负值的水平移动与x轴的负方向一致 水平移动U（x）和倾斜i（x）的变化趋势同步他们之间相差一个有单位的比例系数B 4、曲率 地表单位长度内倾斜的变化，用K表示，单位为mm/m2或 10-3/m。 曲率坐标轴向上为正 . 正负号 倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+a时,曲率为正; 倾斜曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-a时曲率为负。 曲率正负号的物理意义 ; 正曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向凸起或在煤层方向下凹.负曲率的物理意义是地表下沉曲线在地面方向下凹或在煤层方向凸起 5、水平变形 水平变形—单位长度上水平移动的变化 用 e 表示，坐标向上为正，单位：mm/m 正负号 用tga，水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为+a时,曲率为正; 水平移动曲线的切线与x轴正向所夹锐角为-a时曲率为负。 水平变形正负号的物理意义 . 水平变形正值的物理意义为地表受拉伸变形,负值的物理意义为地表受压缩变形。 水平变形的变化规律 两个相等的正极值和两个相等的负极值 正极值为最大拉伸值，位于边界点和拐点之间； 负极值为最大压缩值，位于两个拐点之间； 盆地边界点、拐点和中点处水平变形为零；
岩层及地表移动的各种参数
岩层及地表移动的各种参数（08-12-2修订） 通过地表移动观测确定地表移动参数： 边界角：在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点（下沉值为10mm）至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。考虑松散层时，还要根据松散层移动角确定。 移动角：在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地主断面上三个临界变形值中最外边的一个临界变形值点至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。考虑松散层时，还要根据松散层移动角确定。 三个临界变形值为：倾斜变形3mm/m；水平变形2mm/m；曲率变形0.2mm/m2。 裂缝角：在充分采动或接近充分采动条件下，地表移动盆地内最外侧的地表裂缝至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。 充分采动角：在充分采动条件下，地表移动盆地平地边缘点至采空区边界连线与煤层在采空区一侧的夹角。 以上各角又都分为上山、下山和走向三角。 最大下沉角：非充分采动时，地表移动盆地中心区的最大下沉点至采空区中心点的连线与水平线在下山方向的夹角。充分采动
时，在松散层不厚情况下，可依据上下山充分采动角作两直线，其交点至采空区中点连线与水平线在下山一侧的夹角。 开采影响传播角：充分采动时，倾向主断面上地表最大下沉值与该点水平移动值的比值的反正切值。 关于最大下沉角和开采影响传播角，有些书和文章不加区分，其实从以上《规程》中的定义来看，一个通过作图得到，一个通过计算得到，二者从数值上是很可能不同的。 地表移动计算参数： 下沉系数：充分采动时，地表最大下沉值与煤层法线采厚在铅垂方向投影长度的比值。 水平移动系数：充分采动时，走向主断面上地表最大水平移动值与地表最大下沉值的比值。 主要影响角正切：走向主断面上走向边界采深与其主要影响半径之比。在概率积分法预计时，不用边界角、移动角和裂缝角作为预计参数而一般采用主要影响角正切作为预计参数。 注意：主要影响角与下山移动角是不同的概念。 拐点偏距：下沉曲线的几何拐点与煤壁在水平方向上的偏离距离（偏向采空区）。 对于以上计算参数，《规程》给出了根据地表移动观测站数据计算的方法。对于缺少实际观测资料的矿区，可采用覆岩综合评价系数P及地质、开采技术条件来确定地表移动计算参数（见《规程》）。《规程》还给出了煤层群条件下，如果下层煤开采的影
矿山压力与岩层控制部分习题答案
一、重要概念 1矿山压力、2 矿山压力显现、3矿山压力控制、4原岩应力、5支承压力、6老顶、7直接顶、8直接顶初次垮落、9顶板下沉量、10老顶初次来压、11周期来压、12关键层、13开采沉陷、14充分采动与非充分采动、15岩层移动角、16岩层变形、17沿空留巷、18沿空掘巷、19锚固力、 20软岩、 21顶板大面积来压、22浅埋煤层、23放顶煤开采。 二、简答与分析论述 1. 简述原岩应力场的概念及主要组成部分。 2. 原岩应力分布的基本特点 3. 支承压力与矿山压力的区别？ 4. 煤柱下方底板岩层中应力分布特点及其实际意义？ 5. 简述岩石破碎后的碎胀特征及其在控制顶板压力中的作用？ 6. 分析采场上覆岩层结构失稳条件 7. 分析加快工作面推进速度与改善顶板状况的关系。 8. 试分析开采深度对采场矿山压力及其显现的影响。 9. 老顶破时在岩体内将引起什么性质的挠动，其特点是什么？有何实用意义？ 10. 简述回采工作面周围支承压力分布规律。 11.是否矿山压力大矿山压力显现也必然强烈，试举例说明。 12. 简述我国缓倾斜煤层工作面顶板分类方案。 13. 支撑式、掩护式、支撑掩护式液压支架结构特征及适用范围。 14. 简述采场支架与围岩关系特点。 15. 分析采场支架工作阻力与顶板下沉量“P-△L”曲线关系 16. 试分析综采面支护质量监测对于改善工作面支架—围岩关系，确保工作面高产高效的作用。 17. 简述开采后引起的上覆岩层的破坏方式及其分区。 18. 简述绿色开采技术体系，关键层的作用。 19. 简述控制岩层移动的技术。 20. 为什么说锚注支护是软岩巷道支护的新途径？ 21. 采区平巷在其服务期内沿走向的矿压规律有哪些？采动影响带的前影响区和后影响区内矿压显现时间和机理有何不同？ 22. 沿空留巷矿压显现基本特征？与沿空掘巷矿压显现的主要区别？ 23. 跨巷回采卸压的基本原理？ 24. 画出巷道支架与围岩相互作用关系示意图，并分析支架与围岩的相互作用原理。 25. 高强度螺纹钢锚杆组成及其经常与之组合使用的支护材料。 26. 如何根据锚杆对围岩的约束方式定义锚杆锚固力？ 27. 简述软岩巷道变形力学机制。 28. 简述影响顶煤冒放性的主要因素,提高顶煤冒放性的主要措施。
第1章覆岩与地表移动规律
第1篇覆岩与地表移动规律 第1章覆岩与地表移动规律 1.1 概述 各种有用的矿物赋存在地下岩体中的一定位置，与周围的岩体相接触，并保持其应力平衡状态。地下矿物开采后，采出空间周围的岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏。这一过程随着开采工作面的不断推进，逐渐地从采场向外、向上（顶板）扩展，直至波及到地表，引起地表下沉，形成所谓的下沉盆地(Subsidence basin)。采动覆岩与地表移动变形的过程是开采破坏了原岩应力状态形成新的平衡的必然过程。 开采引起矿层及围岩的移动和破坏在时间及空间上是一个复杂的运动破坏过程，其特点如下： （1）从采空区至地表，覆岩破坏范围逐渐扩大、破坏强度逐渐减弱，根据覆岩破坏特征一般将其划分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，即所谓的“三带”如图1—1所示； 图1—1 采动覆岩移动破坏三带分布图 a－冒落带；b－裂隙带；c－弯曲下沉带 （2）覆岩移动状态可划分为5个区，如图1－2所示。其中： ①垂直下移区。该区域的岩层在重力作用下作垂直于矿层的运动。 ②垂直上移区。该区域的岩层在侧向及底板应力的作用下向上移动。 ③垂直与水平移动区。该区域的岩层在覆岩自重及水平应力的作用下，作向采空区中心方向的移动。 ④底板下移区。该区域的岩层在支撑压力的作用下，向底板卸压区移动。 ⑤开采支撑压力区。该区域的岩层要承受采空区上覆岩体重力的转移，形成开采支撑压力区，开采支撑压力区的应力值一般高达原岩应力的1.5～3.0倍。
第1章 覆岩与地表移动规律 第 页 2 图1－2覆岩内部移动状态分布图 1.2 覆岩移动破坏规律 1.2.1 “三带”的形成 矿层开采后，其覆岩要发生移动和破坏。经长期的观测证实，覆岩移动和破坏具有明显的分带性，它的特征与地质、采矿等因素有关。在采用走向长壁全部冒落法开采缓倾斜中厚矿层的条件下，只要采深达到一定深度（采深与采高之比H/m >40），覆岩的破坏和移动会出现三个代表性的部分，自下而上分别称为：冒落带(Caved zone)、裂隙带(Fractured zone)和弯曲下沉带(Continuous deformation zone)（见图1－1）。 1．冒落带 冒落带也称垮落带，是指岩层母体失去连续性，呈不规则岩块或似层状巨块向采空区冒落的那部分岩层。冒落带位于覆岩的最下部，紧贴矿层。矿层采空后，上覆岩层失去平衡，由直接顶岩层开始冒落，并逐渐向上发展，直到开采空间被冒落岩块充满为止。 冒落岩块由于碎胀，体积较冒落前增大，增大比率可用碎胀系数表示，碎胀系数大小与岩性及采厚有关。硬岩及采厚较大时，其值大，反之较小，平均约在1.2～1.6范围。在自由堆积状态下，由于冒落岩块碎胀性而逐渐充填开采空间，导致冒落带发展到一定高度而自行停止。表1－1给出了常见岩石的碎胀系数。 表1－1 常见岩石的碎胀系数 岩石名称 碎 胀 系 数 初始碎胀系数K p 残余碎胀系数K s 砂 1.06～1.15. 1.01～1.03 粘土 <1.20 1.03～1.07 碎煤 <1.20 1.05 粘土页岩 1.40 1.10 砂质页岩 1.60～1.80 1.10～1.15 硬砂岩 1.50～1.80 冒落带碎落岩块在上覆岩层沉降压力下可逐渐压实，甚至部分形成再生顶板。厚矿层分层开采时，冒落岩块受重复采动的多次破坏，岩体碎度增大，碎胀系数减小。 冒落带内岩块之间空隙多，连通性强，是水体和泥沙溃入井下的通道，也是瓦斯逸出或
矿山地表及岩层移动观测
矿山地表及岩层移动观测 为了保护井巷、建筑物、水体、铁路等免受开采的有害影响，合理提高煤炭资源回收率，并为留设保护煤柱提供技术资料，新建矿井应开展地表及岩层的移动观测工作。 地表及岩层的移动观测工作设置的各种观测站必须编写岩移观测方案，并报请集团公司地质勘测处审批。观测站设计由文字说明和图纸两部分组成。文字部分包括观测站设计书。图纸包括井上、下对照图（包括观测线和观测点的位置）、观测线剖面图（包括观测线长度的确定）、岩层柱状图、观测点的构造图等。 矿区设置观测站时应统一规划，并选择在有代表性的地方设置。地表移动观测站位置的选择，应遵循由简单到复杂的原则，初次建立地表移动观测站的位置应满足：煤层走向、倾角及厚度均稳定，地势平坦，无大断层，单煤层开采，四周无采空区。 地表移动观测站一般可设走向观测线和倾斜观测线各 一条，设在移动盆地的主断面位置。如回采工作面的走向长度大于1.4H0+50m（式中H0为平均开采深度），亦可设置两条倾斜观测线，但至少应相距50m，并且应距开切眼或停采线0.7H以上。 观测点间距离应根据开采深度按下表21确定。
表21 矿山企业应根据矿区地面控制网，按5″级导线（网） 精度要求建立岩移观测控制网。各控制点和观测点的高程测量应组成水准网，按三等水准测量的要求进行观测。 控制点和观测点的设置应符合下列要求： （一）埋设的控制点和观测点必须用全站仪按设计标定，并应尽可能使观测点中心位于控制点连线的方向上； （二）在非冻土地区，测点的埋设深度应不小于0．6m。在冻土地区，测点的底面一般应在冻结线0.5m以下。测点可采用浇注式或混凝土预制件； （三）当地表至冻结线下0.5m内有含水层时，一般应采用钢管式测点； （四）埋设的测点应便于观测和保存。如预计地表下沉后测点可能被水淹没，则点的结构应便于加高； （五）在一般情况下，倾斜观测线上观测点编号应自下山向上山方向顺序增加，走向观测线上观测点编号应按工作面推进方向顺序增加。 在观测站各点埋设10-15天后，即可进行观测。首先应
15-05-地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析-2016年第2期
地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析 易四海 （中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山063012） ［摘要］采用数值模拟计算，通过对覆岩移动过程的模拟研究，指出了地表沉陷由岩体变形 破坏到岩体密实沉陷的发展过程，揭示了岩体密实沉陷延续是引起地表残余沉陷变形的机理；通过对岩体密实阶段地表沉陷分布规律的模拟研究，证实地表残余变形可以用概率积分法进行预计。根据数值模拟及现场实测数据，确定了长壁开采条件下地表残余沉陷变形的概率积分法预计参数。 ［关键词］ 残余沉陷变形；数值模拟；沉陷过程；预计参数；长壁开采 ［中图分类号］TD325 ［文献标识码］A ［文章编号］1006-6225（2016）02-0029-04Forecast Parameters and Numerical Simulation of Mechanism of Surface Ｒesidual Subsidence Deformation YI Si-hai （CCTEG Tangshan Ｒesearch Institute ，Tangshan 063012，China ） Abstract ：Overburden strata movement process was studied by numerical simulation ，the results showed that surface subsidence expe- rienced the process that from rock mass deformation to rock mass subsidence ，it revealed that rock mass subsidence development was reasons that induced surface residual subsidence deformation．Surface residual deformation could be predicted by probability integral method according numerical simulation of surface subsidence distribution law during rock mass subsidence stage.On the basis of numer-ical simulation and measured data ，predicting parameters of probability integral method of surface residual subsidence deformation with long wall mining situation were confirmed. Key words ：residual subsidence deformation ；numerical simulation ；subsidence process ；predicting parameters ；long wall mining ［收稿日期］2015－08－19 ［DOI ］10.13532/https://www.360docs.net/doc/bc6458573.html,11－3677/td.2016.02.009［基金项目］国家自然科学基金项目（51474129） ［作者简介］易四海（1980－），男，湖北公安人，副研究员，博士，主要从事开采沉陷规律与“三下”采煤方面的研究工作。［引用格式］易四海.地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析［J ］.煤矿开采，2016，21（2）：29－32. 开采沉陷延续时间较长，地表将在很长时间内存在残余沉陷变形，对采煤塌陷区地表新建建 （构）筑物产生不利影响。因此，了解和掌握采煤塌陷区地表残余沉陷规律十分重要。但是，限于采 煤塌陷区地表残余沉陷延续时间长、数值较小，一般难以用实测方法掌握其全部发展规律。目前，对采煤塌陷区地表残余沉陷变形的预测已有了一些研究 ［1－3］ ，对采煤塌陷区建设利用具有一定的指导意义，但在对残余沉陷变形预测参数取值时大多凭经验，缺乏足够的理论支持，给采煤塌陷区地表建筑带来了一定的安全隐患。 为此，本文采用数值模拟计算，研究覆岩移动过程及地表残余沉陷变形的分布规律，依据实测数据建立地表残余沉陷变形的预计方法并确定相关参数，为采煤塌陷区地表安全利用提供理论依据。1 采煤沉陷数值模拟 采用离散元法进行模拟试验。试验设计煤层采厚M =3.0m ，采宽L =125m ，倾角α=0?，采深 H 0=100m ，松散层厚度H s =20m ，基岩厚度H j = 80m ，基岩由砂岩、泥岩和砂质泥岩等岩性组成。 图1为数值计算模型网格剖分图 。 图1 数值计算模型剖分 1.1地表沉陷过程 地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空间过程。由于地表沉陷孕育与发展过程非常复杂，许多学者从不同的角度对其进行了研究 ［4－6］ ， 这些研究多从地表点的移动量及剧烈程度的角度进 行描述。而实际上，地表移动是岩层移动的延伸和表象，岩层移动是发生在岩体内部的力学现象，只有从岩层移动的角度来研究地表沉陷过程才能真实揭示岩层与地表移动的机理与规律。 图2为数值模拟采空区上方不同高度岩层内测 9 2第21卷第2期（总第129期） 2016年4月煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol.21No.2（Series No.129） April 2016 中国煤炭期刊网 w w w .c h i n a c a j .n e t
巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟
第２ １卷第１２期 ２ ０１２年１２月中 国 矿 业 ＣＨＩＮＡ ＭＩＮＩＮＧ ＭＡＧＡＺＩＮＥ Ｖ ｏｌ．２１，Ｎｏ．１２Ｄｅｃ． ２ ０１２巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究 姜海强１， ２，李 猛１，２，吴晓刚１，２，杜 杰１，２，房 萧１，２ （１．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１１１６； ２．煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州２２１００８ ） 摘 要：基于义马矿区千秋煤矿工作面的采矿地质条件， 采用离散元分析软件ＵＤＥＣ，建立了巨厚砾岩工作面覆岩移动的数值模型，模拟研究了上覆巨厚砾岩层的位移变化、塑性区分布和应力分布规律，结果表明： 随着工作面的推进，砾岩层逐渐弯曲变形，接着上覆岩层总体均发生屈服，巨厚砾岩层与下方的岩层离层加大，到达一定距离后工作面左侧的岩层弯曲下沉强烈，岩层底部塑性屈服区域发生破坏，如果继续开采岩层会发生断裂，容易引起冲击矿压危险。 关键词：数值模拟；巨厚砾岩层；覆岩移动规律；冲击矿压危险 中图分类号：ＴＤ３２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４０５１（２０１２）１２－０１０８－ ０４Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒＪＩＡＮＧ Ｈａｉ－ｑｉａｎｇ１， ２，ＬＩ Ｍｅｎｇ１， ２，ＷＵ Ｘｉａｏ－ｇａｎｇ１， ２，ＤＵ Ｊｉｅ１， ２，ＦＡＮＧ Ｘｉａｏ１， ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｉｎｅ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｔａ ｏｆ Ｑｉａｎｑｉｕ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｙｉｍａ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｔ ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｏｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＵＤＥＣ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ：ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｂｅｎｄｅｄ，ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｙｉｅｌｄｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｓｔｒａｔａ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ａｆｔｅｒ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ ｓｔｒａｔａ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｏｆ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅｓｉｎｋ ｉｎｔｅｎｓｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ａｒｅａｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｌａｙｅｒｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｉｆ ｔｈｅ ｃａｖｉｎｇ ｆａｃｅ ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ ｔｏ ａｄｖａｎｃｅ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ ｍａｙ ｂｒｅａｋ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｃａｕｓｅ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ． Ｋｅｙ ｗ ｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｔｈｉｃｋ ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ ｌａｙｅｒ；ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｓｔｒａｔａ ｍｏｖｅｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ收稿日期：２０１２－０７－ ２７作者简介：姜海强（１９８８－），安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为固体充填采煤。 煤层顶板岩层的特性， 特别是巨厚坚硬顶板是诱发煤矿冲击矿压的重要影响因素之一。随着上覆岩层悬顶长度的增大，巨厚顶板岩层中聚积的能量变大，当顶板发生破断和滑移失稳时，巨厚顶板聚积的大量能量瞬间释放，从而诱发顶板型冲击矿压。目前，国内外学者对巨厚砾岩层的研究较少，主要集中在冲击矿压、地表沉陷等方面，鲜有对上覆巨厚砾岩层的运动规律和破坏形式等方面的研究。史红、姜福兴等利用两端嵌固梁力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行了分析，根据岩层中的应力场分 布，提出了大厚度坚硬岩层的３种破坏方式的力学判断。王金安等运用弹性基础厚板理论，研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响，以及岩浆岩变形规律与破坏形式。轩大洋、许家林等采用离散元计算方法，研究了巨厚火成岩下开采时的采动应力演化规律， 从采动应力影响范围的角度，解释了煤与瓦斯突出灾害的原因。 本文结合义马矿区千秋煤矿２１１４１实际工程地质条件，利用ＵＤＥＣ数值模拟软件， 建立了采动影响下覆岩运动变化的数值模型，得到了覆岩的位移变化、塑性区分布和应力分布规律。１ 采矿地质条件 千秋煤矿２１１４１工作面位于矿井西部二水平
3采煤工作面上覆岩层移动规律讲解
第三章采煤工作面上覆岩层移动规律 第一节概述 一、煤层顶底板岩层的构成 煤层处于各种岩层的包围之中。处于煤层之上的岩层称为煤层的顶扳；处于煤层之下的岩层称为煤层的底板。 根据顶、底板岩层离煤层的距离及对开采工作的影响程度不同，煤层的顶、底板岩层可分为： (l)伪顶。紧贴在煤层之上，极易垮落的薄岩层称为伪顶。通常由炭质页岩等软弱岩层组成，厚度一般小于0.5m，随采随冒。 (2)直接顶。位于伪顶或煤层之上，具有一定的稳定性，移架或回柱后能自行垮落的岩层称为直接顶。通常由泥质页岩、页岩、砂质页岩等不稳定岩层组成，具有随回柱放顶而垮落的特征。直接顶的厚度一般相当于冒落带内的岩层的厚度。 (3)老顶。位于直接顶或煤层之上坚硬而难垮落的岩层称为老顶。常由砂岩、石灰岩、砂砾岩等坚硬岩石组成。 (4)直接底。直接位于煤层下面的岩层。如为较坚硬的岩石时，可作为采煤工作面支柱的良好支座；如为泥质页岩等松软岩层时，则常造成底臌和支柱插入底板等现象。 二、采煤工作面上覆岩层移动及其破坏 在采用长壁采煤法时，随着采工作面的不断向前推进，暴露出来的上覆岩层在矿山压力的作用下，将产生变形、移动和破坏。根据破坏状态不同，上覆岩层可划分为三个带(图3－l)。 冒落带。指采用全部垮落法管理顶板时，采煤工作面放顶后引起的煤层直接顶的破坏范围(图3－l，Ⅰ)。该部分岩层在采空区内已经垮落，而且越靠近煤层的岩石就越紊乱、破碎。在采煤工作面内这部分岩层由支架暂时支撑。 裂隙带。指位于冒落带之上、弯曲带之下的岩层。这部分岩层的特点是岩层产生垂直于层面的裂缝或断开，但仍能整齐排列(图3－l，Ⅱ)。 弯曲下沉带。一般是指位于裂隙带之上的岩层，向上可发展到地表。此带内
地表岩移实施计划方案
浅埋深大采高地表岩移规律研究 实施方案 承担单位：鄂尔多斯市转龙湾煤炭 协作单位：科技大学 项目负责人：学相 起止时间：2017.4-2018.3 2017 年6 月12 日
目录 一、项目的必要性 （一）研发的必要性、目的及意义 1. 现状分析 2. 目的及意义 （二）国外同类技术发展状况及发展趋势 1. 目前国外同类技术发展状况 2. 发展趋势 二、研究开发容 三、目标及主要经济技术指标 四、关键技术及创新点 五、项目技术路线 六、现有基础及技术条件 七、对安全、环境、健康的影响性分析 八、经济、社会效益分析 九、项目实施进度计划 十、经费概算 十一、项目负责人、项目组成员及分工
一、项目的必要性 （一）研发的必要性、目的及意义 1. 现状分析 转龙湾煤矿井田围43.46Km2，主采煤层为II-3煤层，其平均厚度为4.3m，煤层厚度稳定，倾角较小（1~2°）,煤层埋深为200m左右。 根据钻孔资料显示，井田围，顶板岩性差异较大。目前23103、23102、23303工作面已回采完毕，23101、23302工作面正在进行回采。23103工作面由东华建设进行了首采面地表岩移观测，观测数据及相关参数已在报告中给出，通过该参数计算23102工作面地表各类数据与实测数据基本一致。但23303工作面通过实测发现，差异较大，通过分析认为，231采区各工作面顶板砂岩岩性相似，数据基本一致，但233采区与231采区顶板砂岩岩性差异较大，造成233采区预测与实测值差异性较大。 另外，通过转龙湾煤矿监测资料发现，矿井薄基岩浅埋深大采高开采覆岩形变、破断，地表移动规律以及显现特征与其它浅部开采矿井相比有明显的差异性，若仍以浅部开采沉陷预计理论指导转龙湾矿井各类建（构）筑物及井巷保护煤柱留设、开采损害评价等方面会出现较大误差，给安全生产带来不利影响。 因此，本课题正是针对龙湾矿井开采过程中地表沉陷变形存在的问题，在前期研究的基础上，对不同条件下（主要考虑松散层影响因素）开采覆岩应力、应变场演化规律、地表沉陷特征的特殊性进行研究，掌握采动覆岩体的运动规律，建立符合转龙湾开采的岩层及地表沉陷预测模型及参数求取方法，能准确预测地面沉降，并结合覆岩运移特征，提出适合转龙湾矿井工作面布置的设计方法，有效减少煤炭资源的滞留，降低地面沉降灾害的影响，为转龙湾矿井“三下”安全开采提供新的理论基础。 2. 目的及意义 本项目研究的目的在于：（1）通过对采动地表沉陷影响因素的分析，确定松散层、岩石力学性质对地表沉陷的影响规律；（2）通过地表移动变形观测的研究，确定相关的沉陷参数；（3）确定下沉数据与岩性的关系及动态下沉参数；（4）建立地表沉陷模型，进行地表沉陷预计；（5）研究地表移动变形规律，为沉陷治理
煤矿胶结充填开采覆岩移动及矿压显现规律研究
煤矿胶结充填开采覆岩移动及矿压显现规律研究本文以煤矿胶结充填开采技术为背景,通过相似模拟试验、数值模拟进行了不同充填率条件下覆岩移动和矿压显现规律的研究,并与垮落法开采进行对比。在综合分析胶结充填覆岩移动变形规律后,提出了充填开采上覆岩层渐进“S”型梁模型,并对其形成条件进行了理论分析。基于弹性地基梁理论,建立渐进“S”型梁力学模型,推导出充填开采煤体区和充填区支承压力分布和顶板下沉量推导公式,并进行了理论计算。将此模型应用到地表下沉预测计算中,并对地表下沉系数取值进行研究,构建了胶结充填质量控制体系框架,在小屯矿进 行了工业性试验,技术经济效益分析结果表明了小屯矿进行胶结充填开采的合理性和优越性。本文对以下主要内容进行了研究：(1)通过实验室相似模拟试验,对垮落法开采及不同充填率条件下充填开采的覆岩移动变形规律分析可知：①与垮落法开采相比,充填采煤上覆岩层整体性结构没有破坏,当充填率为80%时,胶结充填开采上覆岩层发生整体弯曲下沉,仅出现裂隙带和弯曲下沉带,两带发育分布在基本 顶附近,且范围较小,岩层竖直方向上无贯穿性裂隙：当充填率为90%时,只出现弯曲下沉带。即采空区充填率对充填采煤上覆岩层的稳定性有显著的影响,随着充填率的提高,上覆岩层的变形破坏从产生离层、裂隙逐步变为整体的弯曲下沉,上覆岩层下沉速度及下沉量也呈现大幅度减小的趋势。②充填率越高,顶板的欠接顶量小,下沉空间少,顶板的完整性越好,充填体和顶板的承载能力越高,故煤壁前方支承 压力峰值越小,应力增高区面积减少,后方充填体支承压力越高。③与
垮落法开采相比,充填开采工作面周期来压的步距较大,周期较长,周期来压现象不明显；充填率越高,周期来压的步距越大,周期越长,周期来压强度越小,周期性越不明显；当充填率达到90%时,工作面无周期来压现象。④对于胶结充填开采,充填体与围岩的相互作用主要体现在以下几个方面：充填材料作为地质填充物,及时对采空区进行了充填,胶结成具有一定强度的充填体阻止围岩变形,提高了围岩的完 整性和承载能力,增强了顶板抵抗变形和破坏的能力；随着工作面的推进,形成了以煤体、充填体、围岩共同作用的支撑体系,阻止覆岩的进一步变形；此支撑体系改变了整个采场的应力状态,使采场由双向受力状态变成三向受力状态,共同阻止上覆岩层的下沉。由于上覆岩层运动空间有限,整个采场矿压显现明显减弱。(2)在分析胶结充填采场覆岩移动特征的基础上,提出了充填开采上覆岩层渐进“S”型梁理论,建立渐进“S”型梁弹性地基梁力学模型,对顶板移动变形进行分析。①对胶结充填采场覆岩移动特征进行分析,建立了渐进“S”型梁力学模型,并对其形成条件即完全连续条件和有效连续条件进行了理论分析。②基于弹性地基梁理论,将基本顶岩梁视为半无限长梁,不考虑控顶距和支架的情况下,建立充填开采渐进“S”型梁力学模型,并根据此模型建立了充填开采覆岩移动力学方程,推导出充填开采煤体区和充填区支承压力表达式,分析了煤体区和充填区支承压力分布情况：随着工作面的推进,煤体一侧垂直应力逐渐减小,趋于原岩应力；作用在充填体上的垂直应力随着工作面的推进而增大,也逐渐趋于原岩应力。顶板的反力在x=0处不连续,发生突变。在x=0处,煤体压力
第六章 采场岩层移动与控制
1、充分采动的概念防治煤矿开采引起地表沉陷的主要措施有哪些？ 什么是充分采动？防治煤矿开采引起地表沉陷的主要措施有哪些？ 充分采动：当采空区尺寸（长度和宽度）相当大时，地表最大下沉值达到该地质条件下应有的最大值，不再随开采范围扩大而增加，此时的采动称为充分采动。 1、留煤柱开采。 1）部分开采。 （1）条带开采。沿煤层走向或倾向，将开采区域划分为若干个宽度相等或不等的条带，开采一条，保留一条，利用留下的煤柱支撑顶板，以达到减小地表沉陷的目的。成功关键在于合理设计采宽与留宽，确保覆岩主关键层和留设煤柱的稳定性。 （2）房柱式开采。在煤层内开掘一些列煤房，留下近似于矩形的煤柱来支承顶板，达到控制顶板和减轻地表沉降的目的。 2）留设保护煤柱。地面存在重要的需要保护建（构）筑物时，在其下部对应煤层的合理位置预留一定尺寸的煤柱，使岩层移动影响边界达不到该建（构）筑物。煤柱留设主要根据具体矿井条件和岩层移动角等参数进行设计。 2、充填开采。 1）采空区充填。即用充填料充填已采空间，相当于减小煤层开采厚度。按运送充填物料动力的不同分水力、风力、机械和自溜充填；按充填材料分为水砂、矸石、膏体充填。 2）覆岩离层区充填。利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，总钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩，从而减缓覆岩移动往地表的传播。 3、调整开采工艺和参数。 1）协调开采：根据开采引起地表移动与变形的分布规律，通过合理的开采布局、开采顺序、方向、时间等方法减缓和减少开采引起的地表变形。 ①减小开采边界影响的叠加。 ②多工作面协调开采。 ③对称背向开采。 2）控制开采 ①限厚开采。 ②分层间歇开采。 2、简述岩层移动规律 采用全部垮落法管理采空区的情况下，根据采空区覆岩移动破坏特点，可以分为“三带”，即垮落带、裂隙带、弯曲带。其特点如下 垮落带：破断后的岩块呈不规则垮落，排列也极不整齐，松散系数比较大，一般可达1.3之1.5.经重新压实后，碎胀系数可降到1.03左右。 裂隙带：岩层破断后，岩块仍整齐排列的区域即为裂隙带。它位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数比较小。关键层破断块体有可能形成“砌体梁”结构。垮落带与裂隙带合称为“两带”又称“导水裂隙带”，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体破断后的裂缝流入采空区和回采工作面。 “两带”高度与岩性和煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，高度越大。 弯曲带：自裂缝带顶界到地表的所有岩层称为弯曲带。弯曲带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程的连续和整体性，即裂缝带顶界以上至地表的岩层移动是成层地、整体性地发生的，在垂直刨面上，其上下各部分的下沉值很小。若存在厚硬的关键层，则可能在弯曲带内出现离层区。
弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究
弱胶结覆岩高强度开采岩层与地表移动规律研究本文以营盘壕煤矿2201工作面地质采矿条件为依托原型,采用实测数据分析、数值模拟实验与相似材料模拟实验相结合的方法,对弱胶结覆岩高强度开采下的地表与岩层移动变形规律进行了研究,取得的主要研究成果如下:1)对营盘壕矿区岩层进行实地取样并进行力学实验,实验表明90%的岩层抗压强度均低于30MP,且岩层结构均以泥质胶结为主,具有胶结性差、易风化、对扰动敏感等物理特性,故确定了营盘壕矿区上覆岩层均属于弱胶结性岩层。2)根据现场实测数据绘制出了地表移动变形曲线图,揭示了弱胶结覆岩地表动态移动变形的变化规律;并进一步详细对比分析了营盘壕煤矿与临近的小纪汗煤矿的地质采矿参数与岩层结构,采用类比法确定了营盘壕煤矿2201工作面地表预计参数大小。3)采用数值模拟实验研究了一次性采全高与分层开采两种开采方式下的地表与覆岩移动变形规律以及覆岩内部应力场、塑性区变化规律,揭示了在弱胶结覆岩地层条件下更适合一次性采全高的开采方式,为2201工作面实际开采时提供了理论支撑。4)将理论分析与相似材料模拟实验结果相结合,得出了直接顶应力随着距离开切眼距离的不同而呈现不同类型函数的变化规律;且在高围压状态下,弱胶结覆岩由于自身物理性质而易产生假塑性弯曲,这些“假塑性体”内部产生了与正应力呈不同角度的裂隙,依然可以看成为两端固定,中间悬空的“简支梁”平衡结构;对于地表移动变形而言,下沉曲线收敛速度较一般地质采矿条件下的地表下沉曲线收敛速度慢,且下沉值偏小。5)以弱胶结覆岩岩层动态移动过程为研究基
础,建立了弱胶结覆岩开采岩层移动力学模型。并以该力学模型为理论依据,结合材料力学相关知识,推导出了新的弱胶结覆岩开采垮落带发育高度的预测方法。6)理论分析了弱胶结覆岩地表下沉系数远远小于我国东部软岩条件下开采的经验下沉系数的四个因素。三个次要因素:弱胶结覆岩水化膨胀因素、似“覆岩离层注浆”因素、冲洪积砂的流动性因素;一个主要因素:岩层的巨厚特性因素。岩层巨厚的特点使得其在岩层移动变形向地表传递的过程中形成了类似于东部煤矿坚硬岩层的抗变形的作用。
放顶煤开采条件下覆岩移动 规律试验研究 郝延锦 3 吴立新 3 沙从术
放顶煤开采条件下覆岩移动 规律试验研究 郝延锦3 吴立新3 沙从术33 孟召平3 胡金星3 3 (中国矿业大学北京校区) 33(郑州煤田职工地质学院) 摘要 通过对放顶煤开采条件下覆岩移动相似模拟试验结果的分析,并与实际观测资料相对照,总结出了在放顶煤开采条件下覆岩断裂角、冒裂带高度大小的基本规律,以及尖灭硬岩层、煤层顶板岩性对覆岩移动的影响等问题。 关键词 放顶煤开采 覆岩移动 试验研究 前 言 放顶煤开采技术由于其高产、高效、煤质好,已在我国许多有条件的矿区被广泛采用,但由此引起的开采沉陷问题也日益突出,解决在放顶煤开采条件下覆岩移动问题已迫在眉睫。研究放顶煤开采条件下覆岩移动规律的方法通常有理论研究、实际观测和模拟研究三种。由于岩层移动是一个影响因素非常多、非常复杂的物理力学过程,理论研究正在逐步深入;实际观测是研究岩层移动的主要方法,但由于放顶煤开采技术应用时间较短,以及客观条件限制,目前观测数据很不充分,特别是对岩层内部的观测。因此模拟试验就成了研究放顶煤开采条件下覆岩移动规律的有效方法。本次试验所模拟的地质采矿条件完全与新集矿的实际情况相似,从而避免了模型简化对试验结果产生的影响。 1 模拟试验概述 111 原型条件 相似模拟试验的剖面根据新集矿试验区实际勘探剖面所得,制作模型10台,开采煤层为13—1煤、11—2煤,均为近水平煤层,全部跨落法管理顶板。煤层赋存、顶板岩性和开采方法见表1。 112 相似材料配比 制作模型主要所用材料有:河砂、云母、碳酸钙、煤粉、石膏、水、水泥和锯末等,相似材料配比是根据煤岩层的抗压强度进行的。 113 模型设计尺寸和相似条件 模型框架尺寸为:2500mm×200mm×1800mm 的平面模型,采用杠杆加载进行相应高度补偿。在试验过程中,模型与原型之间严格遵守相似原理。 a 几何相似比 表1 煤层开采及赋存情况表 模型 编号 开采 煤层 开采 方法 开采 厚度 (m) 埋藏 深度 (m) 顶板岩性1 13—1煤放顶煤开采1017303泥岩 11—2煤普采317366砂质泥岩313—1煤放顶煤开采710300砂质泥岩413—1煤普采810320砂质泥岩5 13—1煤放顶煤开采816508粉砂岩 11—2煤普采310576砂质泥岩6 13—1煤放顶煤开采816508 粉砂岩,切 有 裂隙11—2煤普采310576 砂质泥岩,切 有 裂隙7 13—1煤放顶煤开采816508 粉砂岩,切 有 裂隙11—2煤普采310576 砂质泥岩,切 有 裂隙8 13—1煤放顶煤开采816508粉砂岩(碎裂) 11—2煤普采310576 砂质泥岩 (碎裂) 913—1煤放顶煤开采410595泥岩夹煤1013—1煤放顶煤开采410556泥岩夹煤 第1、2、5、6、7、8模型为:a L=1 150 第3、4模型为:a L=1 200 第9、10模型为:a L=1 100 b 模型的容重比为:a r=r m r p=0.625 c 模型的强度比为:aΡ=Ρm Ρp=a L3a r 第1、2、5、6、7、8模型为:aΡ=1 240 第3、4模型为:aΡ=1 320 第9、10模型为:aΡ=1 160 d 模型的时间比:a t=t m t p=(a)1 2 第1、2、5、6、7、8模型为:a t=1 12 第3、4模型为:a t=1 14 第9、10模型为:a t=1 10 第4期1999年11月 矿 山 测 量 N o.4 M I N E SU RV EY I N G N ov.1999