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。
回采工作面上覆岩层移动规律的分析
回采工作面上覆岩层移动规律的分析
【摘要】不同地区的煤层赋存条件往往存在着很大的差异，由此而造成的综合机械化开采过程中的矿压显现特征也会有很大程度的不同，因此，针对不同矿区具体的煤层开采主、客观条件，对采场矿压显现特征进行有针对性的研究，运用数值计算方法对采场周围应力场分布、顶底板岩层稳定性、支架对围岩的支护效果等进行了分析，掌握老顶的初次断裂步距，对采场来压进行预测预报，并据此制定有针对性的矿压控制技术措施，来保证矿井安全高效生产。
【关键词】工作面；覆岩；移动；规律；分析
1.有关采场覆岩活动规律的重要性
综合机械化采煤理论及技术已取得很大发展，综合机械化采煤的安全性、经济适用性等已经得到很大提高；综采工作面矿压控制理论技术研究手段、研究成果也有很多。但是，不同地区的煤层赋存条件往往存在着很大的差异，由此而造成的综合机械化开采过程中的矿压显现特征也会有很大程度的不同，因此，针对不同矿区具体的煤层开采主、客观条件，对采场矿压显现特征进行有针对性的研究，并据此制定有针对性的矿压控制技术措施，仍是保证安全高效生产必不可少的前提工作。
2.顶板垮落距的计算
2.1直接顶垮落
煤层开采后，将首先引起直接顶的垮落。回采工作面从开切眼开始向前推进，直接顶悬露面积增大，当其达到其极限跨距后开始垮落。直接顶第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。直接顶初次垮落的标志是：直接顶垮落高度超过1～1.5m，范围超过全工作面长度的一半。此时直接顶的跨距称为初次垮落距。初次垮落距的大小由直接顶岩层强度、分层厚度、直接顶内节理裂隙的发育程度所决定，它是直接顶稳定性的一个综合指标。
2.2基本顶的断裂
随着工作面自开切眼开始推进，基本顶达到初次断裂时的跨距称为极限跨距，也称初次断裂步距。掌握老顶的初次断裂步距，对采场来压的预测预报、岩层移动的计算与控制具有重要的作用。
基本顶的梁式断裂
图3-1 基本顶两端固支梁受力分析
（1）（2）
晓南矿W_(2)-721工作面地表移动规律研究
增刊2020年12月铁法科技
1引言
煤炭开采形成地下采空区域的同时，破坏覆岩
岩体内部的力学平衡状态。随回采工作面长距离推
进，不断发生采动宏观影响，以致使岩体本身发生
移动及岩体内的地下工程结构物的形态发生变化，
井下和地表最终产生极大的危害后果。近年来，煤
矿生态保护课题受到空前重视，研究和防范开采沉
陷是当前煤矿生态保护课题中的重点之一。
晓南矿W2-721工作面对应地表位置，位于晓
南矿工业广场南侧，采动影响范围内涉及两条村级
公路（晓南矿至晓南镇；宋荒地村至汪荒地村）、三
条高压线（两条：晓南矿至晓南镇6kV）、五条通讯
电缆，及晓南镇部分住宅和平坦的耕地，地表标高
+68～+78m。
晓南矿W2-721工作面所在井下位置，位于晓
南井田西二采区南部，以西、北部F23-4断层为界；
南部至异常带为界；东侧以该矿W2-720工作面煤
柱为界。其设计规模：W2-721工作面运顺长度
570m；回顺长度478m；开切眼长度151m。埋藏于
-380m至-470m之间。
根据晓南矿西二采区实际生产情况，在W2-721地表建立长期的岩层移动沉降观测站，对其地表岩
层移动沉降及地裂缝进行长期观测，分析和研究观
测结果，旨在为煤矿生态保护课题研究奠定基础。
2覆岩地质概况
晓南矿W2-721工作面的总体为一单斜构造，煤
层倾向299～315°；倾角一般为7～18°，倾角平均
值14°。工作面内发育一条异常带，长度530m，宽
度4～20m。
该工作面煤层顶板主要由直接顶与老顶组成。
直接顶的结构是由粗砂岩、粉砂岩、泥岩和炭质泥
岩所组成。老顶的结构是由粉砂岩、粗砂岩所组成。
该工作面所掘煤层为上含煤段7#-2煤层。7#-2煤层厚
度为1.06～4.60m，平均2.56m。煤层结构复杂，黑
色，玻璃光泽，贝壳状断口,其中夹矸2～10层，为炭
质泥岩、泥岩，厚度0.11～1.10m。
该工作面对应地表的表土层厚度6~8m。地表下
8～295m为火成岩层。从东至西逐渐增厚，厚度在
煤矿开采地表沉降与岩石移动规律的观测研究
煤矿开采地表沉降与岩石移动规律的观测研究
发布时间：2022-07-24T05:54:30.781Z 来源：《工程管理前沿》2022年第3月5期 作者： 陈 亮
[导读] 本文从煤矿开采对地表移动的观测、对岩层移动钻孔的观测
陈 亮
（淮北矿业股份有限公司临涣煤矿，安徽淮北 235136）
摘 要：本文从煤矿开采对地表移动的观测、对岩层移动钻孔的观测、地表和岩层变形预计参数的确定，以及综合观测运用实例等几方面的分析，进而可确定开采工作面地面沉陷量和岩移的规律等参数。又可进一步为本矿开采地面塌陷沉降和岩石移动规律提供参考数据，
并为全面合理、安全开采和地面沉陷建筑物保护奠定基础。
关键词：煤矿开采；地表沉陷；岩层移动；观测研究
引言：煤矿开采期间，由于挖掘与采出破坏了周围岩体内部的原始应力平衡，致使岩层产生移动、变形和破坏。随着大面积的不断开采，进而造成地表出现沉陷。为实时测量沉陷情况，可在回采工作面上建立地表岩层移动观测站，通过收集实测所得的各类数据，根据原
有的矿井地质资料再经科学系统的研究分析，进而可以确定岩层与地表变形的预计参数，以便为地面建筑物的保护和井下生产提供可靠的
技术数据。
1.对地表移动的观测
对于地表移动的观测，可以先设置观测站，再开展观测工作与资料的整理。①设置地表观测站：这分三种：回采单一工作面、回采多个工作面和网状观测站。②观测工作：在观测站设置10d后，就可开展具体观测工作。一是连接观测。根据地面控制网和观测站具体位置情
况，并按照《规程》对近井点的测量要求，可用敷设经纬仪导线的方法进行。测定观测线一个控制点的平面坐标与高程，其余的控制点则
按5s导线侧角方法侧角和观测线边长丈量的结果求得。二是全面测量。内容有各测点的水准测量、测点间距离的丈量和测点偏离观测线的
支距测量。在测量过程中，要进行多次的全面测量，间隔时间可参照下式计算得出。另外，要在地表移动前和稳定后分别进行两次全面测
量。三是巡视测量。为确定地表移动与稳定的时间，要进行局部水准测量。③整理观测资料：在野外的观测记录要及时地检查和整理，对
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/m40），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）。
高强度开采地表移动变形规律及减损关键参数模拟
第2卷第4期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 4
2020年 11月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Nov. 2020
043511-1 蔡音飞，李晓静，邓伟男，等. 高强度开采地表移动变形规律及减损关键参数模拟[J]. 采矿与岩层控制工程学报，2020，2(4)：
043511.
CAI Yinfei，LI Xiaojing，DENG Weinan，et al. Simulation of surface movement and deformation rules and detriment key parameters in
high-strength mining[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering，2020，2(4)：043511.
高强度开采地表移动变形规律及减损关键参数模拟
蔡音飞1,2，李晓静3，邓伟男4，肖 武5，张文凯2,6
(1. 太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011；3. 山西财经大学，公共管理学院
山西 太原 030031；4. 中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；5. 浙江大学 公共管理学院，浙江 杭州 310058；6. 中国矿业大学(北京) 土地复
垦与生态重建研究所，北京 100083)
摘 要：煤矿超大工作面高强度开采对地表影响剧烈，环境影响演变迅速。根据神东矿区典型
工作面的地质采矿条件，结合数值模拟试验和现场岩移观测数据，利用开采沉陷学、力学和统
计学等相关理论，研究超大工作面开采地表移动变形规律和减损关键参数。采用正交试验方
法设计工作面长、宽、厚和推进速度4种因素、5个水平的有限差分数值模型进行试验，并在科学
计算软件Mathematica中分析模拟得到的地表移动变形量，用受损区在沉陷区的占比这一指标
综放开采软弱覆岩移动及支承压力规律研究
２０１１年第３期
Ｎｏ．３ ２０１１ 煤 炭 科 技
ＣＯＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ ＭＡＧＡＺＩＮＥ
文章编号：１００８—３７３１（２０１ １）０３—０００１—０３
综放开采软弱覆岩移动及
支承压力规律研究
叶佩鑫 ，赵国庆 ，邹长磊
（１．新疆维吾尔自治区昌吉市煤炭工业管理局，新疆昌吉８３１１００；２．中国矿业大学深部岩土与地下工程国家重点实验室 江苏徐州２２１００８）
摘要：以黄岩汇煤矿综放面为工程背景，在对该面覆岩进行物理力学性质测试基础上，采 用相似材料模拟的实验方法，分析了软弱顶板综采面覆岩移动及支承压力的分布规律，对
相同工程条件下综放开采覆岩的稳定性分析具有重要的实际指导作用。
关键词：综放开采；覆岩变形；相似材料模拟
中图分类号：ＴＤ３２５ 文献标志码：Ａ
近年来，我国煤炭行业整合资源，原先的小矿开 采，在技术更新后转换为综放开采。在我国北方大部
分煤矿埋深较浅，但有煤层厚，上覆岩层胶结弱，裂
隙发育等特点。对该类煤层综放开采条件下的上覆
岩层活动规律、矿压显现、顶煤破碎特点进行较深入
的研究［ ，具有重要的指导意义。
１ 工作面地质条件
黄岩汇煤矿设计生产能力１５０ ｔ／ａ，主采山西组
１５煤。工作面平均埋深２３３ １ＴＩ，煤厚４．３５～８．３０ ｍ，
平均约６．０ ｉｎ，倾角４～１６。，平均９。；工作面走向长 １ ４２０ ｍ，倾斜长１５０ ｍ；工作面机采高２．６ ｍ，平均
放高１．９ ｉｎ，采放比为１：０．７３。表１为１５煤与围岩
力学指标。 表１ １５煤与围岩加权指标
２相似模型的制作与实验方法
本次相似模拟试验研究的主要问题是在重力场
中的岩层移动和变形破坏规律，以及支承压力的分
布规律，研究上覆岩层可能形成的结构。因此，根据 相似准则，要求主要的相似常数为：几何相似ｃ 为
１００；视密度相似 为１．６；时间相似ｃｌ＝Ｃ ＝１０； 应力相似 ＝ＣＩＪ ＝１６０。 在满足上述条件的基础上，铺设的模型与巷道
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
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;张永波;赵志怀;张利民
【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.%Taking geological conditions of Kangjiagou
coal mine under Lishi-Jundu freeway as a prototype, similar material
simulation was carried out for examining the behavior of overlying rock
movement and surface deformation with multi-coal seam mining. The
results show that under the condition of multi-coal seam mining, with the
increase of total thickness of coal seam, the overlying rock subsidence of
three zones of gob and surface subsidence, surface lean deformation,
surface level movement, surface curvature deformation all show an
increasing tendency, the overlying rock of gob is more broken, the surface
新义煤矿大采深煤层开采地表移动规律研究
新义煤矿大采深煤层开采地表移动规律研究
随着煤矿开采强度的增加以及开采水平的延伸,矿井开采日益深部化,伴随着煤矿区“三下”压煤量也日益增加,要实现深部开采的准确预计以及“三下”压煤的安全回采,必须深入研究深部开采地表移动规律。根据新义煤矿11010工作面地质采矿条件,建立地表移动观测站,对工作面开采引起的地表沉陷进行了现场实测,根据实测资料,通过整理分析得到地表移动变形规律和岩层移动的角量参数,结果表明:深部开采条件下地表沉陷影响范围和沉陷变形只均明显减小,岩层移动各角量参数大于充分开采条件下的角量参数,地表沉陷变形趋于平缓。提出了基于Matlab求取地表移动预计参数的方法,用此方法方便、准确地求取了地表移动变形预计参数,为新义煤矿确定深部开采条件下的地表移动变形参数提供了参考依据;并且以新义煤矿的地质采矿条件为原型,建立了数值模拟模型,采用UDEC数值模拟软件分析新义煤矿深部开采条件下岩层破坏及地表移动规律,并且研究了开采深度、开采厚度、开采尺寸对深部开采地表移动变形的影响规律。研究表明:在大采深条件下,覆岩裂隙带发育高度会有所增加,本文的研究成果对新义煤矿深部开采及类似矿区的地表沉陷及控制、“三下”采煤具有一定的理论价值和指导意义。
关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究
关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究
许家林;钱鸣高
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2000(025)002
【摘 要】采用实验、实测及数值模拟方法,研究了关键层对覆岩及地表移动的控制作用和关键层破断块度对其位移曲线形态的影响,提出了"砌体梁"结构位移曲线的拟合方程;对关键层与表土层间耦合关系进行了研究,揭示了关键层与表土层间耦合关系的一些基本规律,对改进地表下沉预计方法具有指导意义.
【总页数】5页(P122-126)
【作 者】许家林;钱鸣高
【作者单位】中国矿业大学,采矿系,江苏,徐州,221008;中国矿业大学,采矿系,江苏,徐州,221008
【正文语种】中 文
【中图分类】TD325
【相关文献】
1.深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响 [J], 许家林;连国明;朱卫兵;钱鸣高
2.关键层控制下的覆岩及地表移动变形分析 [J], 孟国华
3.梅河一井2113区七、八分层开采地表移动与覆岩破坏特征的研究 [J], 赵树森
4.覆岩岩性对地表移动变形的影响 [J], 侯长祥
5.地表移动过程时间影响参数与覆岩岩性关系 [J], 李德海;王文华 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
第一章地表移动与变形规律
第一章 地表移动和变形规律
第一节 开采引发的岩层和地表移动
一、开采引发的岩层移动和破坏
（一）岩层移动和破坏进程
在地下煤层被采出前，岩体在地应力场作用下处于相对平稳状态。当部份煤层被采出后，在岩体内部形成一个采空区，其周围岩体应力平稳状态受到破坏，引发应力从头散布，从而使岩体产生移动、变形和破坏，直至达到新的平稳。随着工作面的推动，这一进程不断重复。这是十分复杂的物理、力学转变进程，也是岩层产生移动和破坏进程，这一进程和现象称为岩层移动（Strata Movement）。
为了便于明白得，以近水平煤层开采为例，说明岩层移动和破坏进程和应力状态的转变。本地下煤层开采后，采空区直接顶板岩层在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲。当其内部应力超过岩层的应力强度时，直接顶板第一断裂、破碎，接踵冒落，而老顶岩层那么以梁、板的形式沿层面法向方向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。随着工作面向前推动，受到采动阻碍的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时，岩层移动进展到地表，在地表形成一个比采空区范围大得多的下沉盆地，如图1-1所示。
由于岩层移动和破坏的结果，使采空区周围应力从头散布，形成增压区（支承压力区）和减压区（卸载压力区）。在采空区边界煤柱及其边界上、下方的岩层内形成支承压力区，其最大压力为原岩应力场的3～4倍。由于支承压力的作用，使该区煤柱和岩层被紧缩，有时被压碎，煤层被挤向采空区。如图1-2所示。由于增压的结果，使煤柱部份被压碎，支承载荷的能力减弱，于是支承压力峰值区向煤壁深处转移。在回采工作面的顶、底板岩层内形成减压区，其应力小于采前的正常压力。由于减压的结果，使下部岩层发生弹性恢复变形。上部岩体由于受下部岩体移向采空区的结果，可能在顶板岩层内形成离层，而底板岩层在采空区范围内卸压，在煤柱范围内增压，两种压力作用的结果，可能显现采空区地板向采空区隆起的现象。
（二）岩层移动和破坏的形式