厚松散含水层下特厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．５３８　Ｆｅｂｒｕａｒｙ．２０１４　现代矿业　

Ｍ０ＤＥＲＮ　ＭＩＮＩＮＧ　总第５３８期　

２０１４年２月第２期　

厚松散含水层下特厚煤层　综放开采覆岩破坏特征研究　

李敬敬　方腾蛟　华　乐　赵　涛　（安徽理工大学能源与安全学院）　

摘要根据淮北某矿的地质条件，采用相似模拟、数值模拟、经验公式计算以及现场实测４　方法对厚松散含水层下特厚煤层综放开采时覆岩破坏特征进行了研究，分别得出了覆岩冒落带、　裂隙带的发育高度。通过比较发现，相似模拟和数值模拟的结果与现场实测的结果比较接近，但经　验公式计算得出的裂隙带高度较小。最终确定厚松散含水层下特厚煤层综放开采冒落带高度为　１，ｊ．５　ｍ，裂隙带高度为６８　ｍ，为矿区防塌煤岩柱的留设提供了依据。　关键词　覆岩破坏　数值模拟相似模拟　经验公式　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　Ｓｔｒａｔａ　ｏｆ　Ｆｕｌｌ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　Ｃａｖｉｎｇ　Ｍｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔｈｉｃｋ　Ｃｏａｌ　Ｓｅａｍ　ｕｎｄｅｒ　Ｔｈｉｃｋ　Ｕｎｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ　Ａｑｕｉｆｅｒ　Ｌｉ　Ｊｉｎｇｊｉｎｇ　Ｆａｎｇ　Ｔｅｎｇｊｉａｏ　Ｈｕａ　Ｌｅ　Ｚｈａｏ　Ｔａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｅｏ］ｏｇｉｃａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ａｎａｌｏｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｄｏ　ｓｏｍｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄ　ｃａｖｉｎｇ　ｍｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｉｃｋ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｉｃｋ　ｕｎｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ　ａｑｕｉ￣ｒ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｎｇ　ｚｏｎｅ　ａｎｄ　ｆｉｓｓｕｒｅ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎＭｏｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄａｔａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｆｉｓｓｕｒｅ　ｚｏｎｅ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｓ　ｌｏｗｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ．Ｓｏ，１３．５　ｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　６８　ｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｎｇ　ｚｏｎｅ　ａｎｄ　ｆｉｓ—　ｓｔｌｒｅ　ｚｏｎｅ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｓｏｍｅ　ｂａｓｉｓｅｓ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｌｌａｐｓｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｒｏｃｋ　ｐｉｌｌａｒｓ　ｉｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｗ￣ｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ａｎａｌｏｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍＵｌａ　

我国的煤炭消耗量随着经济建设的迅猛发展而　日益递增，在我国煤炭总储量中，厚煤层占到　４５．７％，厚煤层的煤炭产量占全部产量的４３．８％。　厚及特厚煤层开采在煤炭生产中占有十分重要的地　位＿ｌ　。综采放顶煤开采是一种高产高效、技术领先　的采煤方法，在厚煤层开采中逐渐代替了分层开采，　并得到了广泛应用。但当采用综采放顶煤时，顶板　覆岩的破坏范围及两带（冒落带、裂隙　带）发育高度　较其他采煤方法明显增加，尤其是特厚煤层开采，采　李敬敬（１９８９一），男，硕士研究生，２３２００１安徽省淮南市舜耕中　路１６８号。　动影响更加剧烈Ｅ３４］。准确确定特厚煤层综放开采　时冒落带、裂隙带的发育高度，对矿井支护参数设计　和防水煤岩柱的留设具有指导意义。　１　地质背景　淮北某矿区８７０工作面设计上限标高为　

一２４０　ｍ，地面标高为＋２４．４　ｍ。开采煤层为结构　稳定的特厚煤层，属于半暗半亮煤，以粉末状、鳞片　状为主要构造，煤层较松软，煤层局部灰份较高，普　氏硬度．厂平均为０．３，厚度为８．５９～１１．２７　ｍ，平均　厚度为９　ｍ，倾角为３。～１０。。直接顶为砂质泥岩，　厚４．９１　ｍ，无伪顶，基本顶为细砂岩及泥岩，厚３．２　１　７　总第５３８期　现代矿业　２０１４年２月第２期　～７．６　ＩＴＩ。煤层底板为１．５—２．５　ｍ厚的灰泥岩，老　底约为６．０　ｍ厚的细粒砂岩。　煤层之上为新生界松散沉积物，平均厚度为　２５０　ｍ，自上而下分为４个含水层和３个隔水层，其　中三隔在开采范围内沉积厚度平均为８０　ｍ，其可塑　性好，膨胀性强，为稳定的黏土隔水层，由于三隔的　存在，使其以上各含水层与四含之间失去水力联系。　四含底板标高为一２１８～一２２５　ｍ，距煤层１４．７～　２３．６　ｍ，厚２．３８～７．４８　１ＴＩ，不发育，富水性极弱，且　受８７１、８７３工作面采动裂缝的影响，含水层内的静　储量水已被疏干。该面８煤开采为极弱含水层下开　采，根据“三下”规程第５０条规定，水体采动等级为　Ⅲ类，允许冒落带接近四含，可以留设防塌煤岩柱进　行开采。　２相似模拟试验　相似材料模拟实验在研究矿山压力、覆岩破坏　等方面得到了广泛的运用，其本质就是根据相似原　理，用与原型力学性质相似的配比材料制作成模型，　模型和原型的尺寸要几何相似，然后在模型上进行　开挖试验，观察模型上各部分的移动变化情况，最后　按照比例换算到原型中　。　２．１。模型试验的设计　ｆ模拟　，验应该满足几何相似、运动相似、边界相　似、对应物理量成比例的要求　Ｊ。依据矿区及实验　室模型架的具体条件，确定几何相似常数为１：１００，　时间相似常数为１：１０，容重相似常数为１：１．５，弹性　模量与强度相似常数为１：１５０。　根据实验室的实际条件，在３　ｍ×０．３　ｍ×　１．５釜（长×宽×高）尺寸的模型架上进行模拟试　验。以矿井的实际情况，模拟煤层的采厚为１０　ｍ，　走向长度为２２０　Ｉｎ，模型前后各留设４０　１１３的边界煤　柱。实际采深为２４０　ｍ，模型模拟高度为１３０　ｍ，其　余的按照重力补偿载荷使用配重进行加载。　２．２顶板垮落及裂隙发育　按照时间相似比，模型开挖后，工作面每２　ｈ向　前推进５　ｍ，随着工作面的向前推进，垮落及裂隙发　育情况见图１。随着开挖的进行，采空区逐渐增大，　悬空的直接顶面积加大。当工作面向前推进２０　ｍ　时，直接顶岩层内出现微弱的层间裂隙，之后出现明　显的离层现象。当工作面向前推进３５　ｍ时，直接顶　初次冒落，不断向前开挖，直接顶在煤壁上方断裂，　随工作面的推进而随采随冒。当工作面向前推进到　１８　４０　ｍ时，基本顶岩层在煤壁上部稍前方出现裂隙，　随着直接顶的冒落，基本顶岩层中下部也出现裂隙，　当工作面向前推进到４５　ｍ时，基本顶初次垮落。而　后，随着工作面的不断推进，基本顶岩层呈周期性垮　落下沉运动，但每次的周期来压步距并不一定都相　等，其周期来压步距在ｌ０—１５．０　ｍ，大多数在１２　Ｉｎ　左右，基本顶的周期性垮落下沉运动有时是自身破　断运动的结果，有时是其上部岩层运动所迫的结果。　

ｏ　５０　１ｏｏ　１５０　２００　２５０　工作面推进距离，ｍ　

图１　垮落带、裂隙带高度发育情况　◆一冒落高度；・一采动裂隙　当煤层开挖到２２０　Ｉｎ结束后，裂隙继续发育，第　３　ｄ时发育到最大高度６３．２　ｍ，之后离层与裂隙受　上部岩层缓慢下沉的影响逐渐压实闭合。最终形成　的顶板冒落带发育高度为１６．１　ｍ，采场覆岩的裂隙　发育高度和范围随着工作面的推进而不断增大，成　阶梯跳跃式发展并趋于稳定，最终裂隙发育高度为　６３．２　ｍ。　３数值模拟分析　为了进一步研究覆岩破坏后两带的发育高度，　通过ＦＬＡＣ　数值模拟，对煤层开挖过程中上覆岩层　塑性区范围分布特征进行模拟分析。莫尔强度理论　能够全面反映岩石的强度特性，可用于分析脆性岩　石以及塑性岩石的剪切破坏，因此，计算中采用莫　尔．库伦屈服破坏准则。在数值模拟中，一般采用应　力判别法和塑性区法来判断覆岩破坏两带的高　度Ｅ　。　３．１数值计算模型的建立　地下煤炭开采是一个三维空间问题，根据８７０　工作面的几何参数特征和上覆岩层的组合特点建立　了ＦＬＡＣ如数值模型，模型沿走向长３００　１１３，沿倾向宽　２５０　ｍ，高１５０　１１３。模型中包括８煤层与顶底板岩　层，取煤层平均倾角为５。，煤层厚９　ｍ，工作面倾斜　长度为１４０　ｉｎ。三维网格共划分有１７１　０００个单元，　１８３　８０４个结点（见图２）。根据８７０工作面实际的　埋深平均为２５０　１ＴＩ，在模型顶部施加的垂直应力为　５．０　ＭＰａ。考虑构造应力的影响，在煤层倾向的水　

∞如∞如加ｍ　０　ｕｖ　怄噬　证　总第５３８期　现代矿业　２０１４年２月第２期　图６中另外２条曲线的趋势与未添加絮凝剂时　的并不一致，而是有一最小的Ａ　。值，此时的温度是　２５℃。温度升高虽然可以改变浆料一些特性从而　加速沉降，同时高温也会加速絮凝剂分子的分解，降　低絮凝性能。因此，温度过高会降低浓缩池产能，使　得对应Ａ　。变大。从图中同时可以看到，在较低温度　时絮凝剂４１２１６的表现更佳，４１２１６对低温的适应　能力更强。　３结论　针对金山店浮选硫精矿沉降缓慢，“跑浑”严重　的问题，进行实验室絮凝沉降试验，对试验结果进行　分析讨论，得出以下结论：　（１）运用稳态浓缩模型，计算出不同条件下的　Ａ　。值，能够直观的评价絮凝剂的助沉效果；同时在　已知浓缩机面积的情况下，可通过　。值定量计算出　浓缩机对应的处理能力。　（２）提高絮凝剂用量可有效的降低４　。值，但在　高用量时降低的趋势会变小。　（３）低温不利于浓缩沉降，温度升高可以加速　沉降；对于自然沉降，温度越高沉降速度越快，对应　的Ａ　值越小，但絮凝沉降最佳温度为２５　ｑＣ，高于　２５℃时，Ａ　开始增大。　（４）结合　ｓｏ＇ｔ（温度，ｑＣ）和４ｓｐ－ｑ（絮凝剂用量，　ｇ／ｔ）关系曲线，可为改善沉降提供理论依据，并可为　自动控制提供数学模型。