趙德深,陳 楓,王忠昶

(大連大學(xué)遼寧省高校復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116622)

特厚煤層綜放開采覆巖運(yùn)移規(guī)律的相似材料試驗(yàn)研究

趙德深,陳 楓,王忠昶

(大連大學(xué)遼寧省高校復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系災(zāi)害預(yù)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116622)

為研究特厚煤層開采上覆巖層垮落特征及覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以鐵煤集團(tuán)大平煤礦某工作面特厚煤層為原型,運(yùn)用室內(nèi)相似材料模擬技術(shù),對(duì)煤層開采過程中上覆巖層的周期來壓、垮落步距、巖層位移、破壞規(guī)律進(jìn)行模擬和觀測研究。結(jié)果表明,隨著工作面的推進(jìn),巖層裂隙自下而上不斷發(fā)展,初次垮落步距為69m,老頂垮落步距為23m和周期垮落步距為46-52m。覆巖離層存在于采空區(qū)正上方的0.7H范圍內(nèi),最大值位置隨高度的增加而在水平方向上遠(yuǎn)離開切眼位置。本模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果為特厚煤層綜采技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了理論依據(jù)。

特厚煤層;相似材料模擬;垮落步距;離層

我國煤層賦存地質(zhì)條件復(fù)雜,目前國內(nèi)外研究開采覆巖運(yùn)移規(guī)律及破壞手段有三種:室內(nèi)相似材料模擬、現(xiàn)場實(shí)測和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬[1]。相似材料實(shí)驗(yàn)可以人為地控制模擬實(shí)體的主要因素,略去次要因素又能對(duì)實(shí)際巖體破壞無法測量的現(xiàn)象進(jìn)行測試,同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究周期短,節(jié)省人力、物力、財(cái)力[2]。本實(shí)驗(yàn)以鐵煤集團(tuán)大平煤礦某工作面特厚煤層為原型,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件,采用實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬煤層開采工程中的上覆巖層的周期來壓、垮落步距、巖層沉降等破壞規(guī)律,以期為特厚煤層安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 相似模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)地質(zhì)條件

鐵煤集團(tuán)大平煤礦某工作面首采工作面傾斜長度為231m,走向?yàn)?546m,煤層厚度為17. 59m,煤層由下向上依次為4m厚垂直節(jié)理發(fā)育煤層、6m厚傾斜節(jié)理發(fā)育煤層、5m厚層理發(fā)育煤層、2m厚破裂煤層和不到1m的破碎煤層,因受火山巖侵入影響,上部為1-4m的硅化變質(zhì)煤層。底板多為砂質(zhì)高嶺質(zhì)炭質(zhì)泥巖、泥巖和高嶺巖,含少量粉砂巖和細(xì)砂巖。直接頂主要為高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖等,直接頂厚度一般為2-8m。老頂巖性則均為厚層狀中硬以上粗粒石英砂巖和砂礫巖,厚度20m左右。

根據(jù)相似理論[3-8],相似材料模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)滿足幾何相似、運(yùn)功相似、邊界相似、對(duì)應(yīng)物理量成比例[5]的要求。模擬實(shí)驗(yàn)選用的相似比見表1。根據(jù)塔山礦區(qū)的地質(zhì)條件和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的尺寸,采用2m×1.5m的平面實(shí)驗(yàn)臺(tái),模型高1. 5m,長2.0 m,寬0.3m。相似材料以石英砂、河沙做骨料,以石膏、石灰做膠結(jié)材料,以云母做分層材料。煤層開采高度345m,采用走向長壁頂板全部垮落法開采。

相似比a1 ay ac aN af aσ值1 230 1.6 1 1 1.95×107 1 1.95×107 1 1.95×107 1 3.68×102

表1 各種相似比例

1.2 材料配比

根據(jù)現(xiàn)場煤層頂板巖層鉆孔柱狀圖及巖層力學(xué)參數(shù),選取細(xì)河沙、石膏和石灰配制不同比例的相似材料,每組6塊,自然干燥7d,進(jìn)行抗壓、抗拉實(shí)驗(yàn)。各巖層巖石力學(xué)性質(zhì)和相似材料的配比如表2所示。

表2 各巖層巖石力學(xué)性質(zhì)和相似材料的配比

1.3 測點(diǎn)布置

在模型上設(shè)置了豎向觀測線和地表與巖層內(nèi)部沿層面方向的觀測線。模型共設(shè)27條豎向觀測線和8條水平觀測線共216個(gè)測點(diǎn),如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)布置圖

2 結(jié)果分析

2.1 上覆巖層運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)

相似模型的有效試驗(yàn)長度為460m,模擬開挖時(shí),在模擬模型兩端各留50cm,即115m煤柱,開切眼首先從邊界50cm處開始,采高為4m,每刀向前推進(jìn)23m,放頂煤厚度為13.59m。

圖2為當(dāng)工作面采動(dòng)過程中煤層頂板垮落和導(dǎo)水裂隙帶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖2中可以看出:

1)隨著工作面的推進(jìn),采空區(qū)頂板懸空面積越來越大,在自重及上覆巖層壓力的作用下頂板發(fā)生下沉、斷裂、冒落,在采場區(qū)域的巖層最先開始運(yùn)動(dòng),巖體裂隙自下而上逐步向上發(fā)展,采空區(qū)頂板隨時(shí)間的延長發(fā)生離層。

2)由于煤層厚度大,煤體采出后不能很快波及至上覆巖層,當(dāng)工作面推進(jìn)90m時(shí)直接頂開始垮落,垮落長度為69m,工作面推進(jìn)到103m時(shí),3.8m厚的細(xì)砂層初次垮落,垮落角約為59°,垮落步距為23m。當(dāng)推進(jìn)230m時(shí)老頂?shù)谝淮稳靠迓?此后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),上覆巖層出現(xiàn)下沉、彎曲和垮落,垮落步距繼而發(fā)生周期性變化,周期垮落步距為46-52m。每當(dāng)出現(xiàn)一次周期性垮落時(shí),覆巖的破壞與移動(dòng)范圍都隨之向上向前擴(kuò)大一定距離,上部老頂呈現(xiàn)出"穩(wěn)定-失穩(wěn)-再穩(wěn)定-再失穩(wěn)"的周期性過程,平衡拱隨之向前擴(kuò)大一步。

3)頂板的冒落特征是:頂板在層理處發(fā)生離層,斷裂位置一般沿所切裂隙發(fā)生拉斷裂破壞,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為55m,裂隙擴(kuò)展角為59°-66°,開采后老頂?shù)淖罱K下沉量為10. 2m,為采高的57.8%。

圖2 工作面推進(jìn)時(shí)煤層頂板垮落和導(dǎo)水裂隙帶示意圖

2.2 上覆巖層運(yùn)移規(guī)律

圖3為地表A與巖層內(nèi)部采深0.7H沿層面方向觀測線C的最終下沉曲線,以各條垂線與A、C水平線上的交點(diǎn)為模型的觀察點(diǎn),觀測線A為地表距煤層頂板252m,觀測線C距煤層頂板145m。如圖3所示:地表最大模擬下沉值為5.35mm,實(shí)際下沉值為1.23m,為占煤層采出厚度(17.59m)的6.99%,而距煤層0.7H處巖層的最大模擬下沉值為44.12mm,實(shí)際下沉值10.14m占煤層采出厚度的57.6%。這說明有42.4%的煤層采出厚度以離層、斷裂、裂隙及垮落等形式存于煤層上方的0.7H范圍內(nèi)。

圖3 模型D=0.7H(315m)時(shí)巖層與地表下沉曲線

圖4 模型第12豎向觀測線下沉綜合曲線圖

圖4給出了觀測線12各點(diǎn)下沉與工作面推進(jìn)距及開采時(shí)間的相關(guān)曲線。觀測線12位于采區(qū)中央正上方,最上方A12號(hào)點(diǎn)為地表距煤層頂板252m,最下方G12號(hào)點(diǎn)距煤層頂板4.6m。

從圖中可以看出,當(dāng)工作面推至觀測線12之前,各測點(diǎn)反映出微小的下沉量,其值由兩部分組成,一是模型材料的殘余干縮量,二是由采動(dòng)引起的下沉量。當(dāng)工作面推過測線位置后,上覆巖層立即產(chǎn)生劇烈的移動(dòng)與破壞,這種破壞程度由下向上逐漸減輕。隨著工作面的推進(jìn),E12、F12、G12號(hào)觀測點(diǎn)隨老頂呈斷裂性破壞而下沉,并在E12、F12號(hào)點(diǎn)間出現(xiàn)明顯的下沉差,即產(chǎn)生了離層。繼而在下位巖層中的離層逐漸減小或被壓實(shí),并轉(zhuǎn)向上位巖層,如 C12、D12號(hào)觀測點(diǎn)間產(chǎn)生的離層值最大,此時(shí)工作面已推過測線122m。從圖中曲線看,這一離層位置存在時(shí)間相對(duì)持久;再往上的A12、B12、C12號(hào)測點(diǎn)間基本沒有明顯離層現(xiàn)象,說明在該開采條件下,離層發(fā)展最大高度為200m。

另外可以看出,在互層較均勻條件下,也未必在每一層面都產(chǎn)生離層,可能以層簇形式呈現(xiàn)同步下沉狀態(tài),如B12、C12號(hào)點(diǎn)和D12、E12號(hào)點(diǎn)間的巖層就表現(xiàn)出了同步運(yùn)動(dòng)過程。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn),針對(duì)鐵煤集團(tuán)大平煤礦某工作面礦特厚煤層綜放開采時(shí)的周期來壓、垮落步距、巖層沉降規(guī)律等進(jìn)行了相似模擬,得出以下結(jié)論:

(1)工作面頂煤的初次垮落步距為69m,老頂初次垮落步距為23m,周期垮落步距為46 -52m.

(2)開采空間的傳播結(jié)果主要包含兩部分:第一部分是地表的沉陷;第二部分是離層、斷裂和垮落所形成的巖體內(nèi)部的殘留空間,采空區(qū)上覆巖層中存在大量離層這是事實(shí),而且它只能出現(xiàn)在采空區(qū)正上方的某一高度范圍內(nèi),本模型條件下為0.7H。

(3)離層發(fā)展不僅是由下向上逐漸發(fā)展,而且最大值位置也隨高度的增加而在水平方向上遠(yuǎn)離開切眼,整體分布范圍位于采空區(qū)正上方,這些為研究特厚煤層綜放開采下上覆巖層運(yùn)移規(guī)律提供了依據(jù),對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的參考價(jià)值。

[1]蔡振宇,楊本生,劉新河.水體下煤層開采的相似材料模擬研究[J].中國礦業(yè),2003,12(3):62-63.

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Study of Similar Material Simulation in Research of the Migration Rule of Overlying Strata on Caving Extra-thick Coal Seam

ZHAO De-shen,CHEN Feng,WANG Zhong-chang

(KeyLaboratory for Prediction&Control on Complicated Structure System of the Education Depart ment ofLiaoning Province,Dalian University,Dalian,116622,China)

The experiment takes the extra-thick coal seam in Tongmeita Mountain as a prototype to research into characteristics of rock collapse and movement of the cover rocks on caving extra-thick coal seam.Similar material simulation is adopted to simulate and observe cycle pressure,collapse span,rocks displacement,and destruction rule of the overlying strata in the process of coal mining.The results show that rocks fracture extended from button as the workspace is pushed,with 69m for initial collapse span,23m for roof collapse span and 46-52m for cycle collapse span. Bed-separation of overlying strata exists in the range of 0.7H above the mined-out area,while the position of the maximum is far away from open cut in the horizontal direction along with the height increase.The simulation experiment provides a theoretical basis for the application and promotion of extra-thick seam mining technology.

Extra-thick coal seam,Similarmaterials simulation,Collapse span,Bed-separation

TU821

A

1008-2395(2010)06-0061-04

2010-09-05

國家自然基金資助項(xiàng)目(50574016,51009015),遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(L2010038),遼寧省復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)災(zāi)害預(yù)測防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(20100301)

趙德深(1957-),男,教授,Email:chfmaple@yahoo.com.cn