近淺埋厚煤層綜放開采覆巖運(yùn)移規(guī)律相似模擬研究

楊寶貴，王俊濤，宋曉波，胡 然，李 楊，黨 鵬

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

根據(jù)國家西部大開發(fā)規(guī)劃以及我國中東部地區(qū)資源開發(fā)現(xiàn)狀，我國的能源基地將向西部擴(kuò)展，該地區(qū)煤層的主要特征是埋深較淺、賦存穩(wěn)定。近幾年來，專家學(xué)者對典型淺埋煤層開采引起的上覆巖層移動及巖層控制這一問題，進(jìn)行了廣泛的現(xiàn)場實(shí)踐和理論研究，取得了一些成果，但這些結(jié)論都是根據(jù)對典型淺埋煤層的開采研究得出的，即用長壁綜采的方式開采基巖較薄、松散載荷層厚度較大的煤層［1－2］。隨著資源需求量的增大，逐漸開始對埋藏更深的近淺埋煤層進(jìn)行開采，煤層埋深通常大于150m，基巖較厚，煤層厚度較大。目前，關(guān)于近淺埋煤層開采所引起的上覆巖層移動規(guī)律的研究相對較少，本文運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，將從基本頂垮落步距、巖層垮落形態(tài)、覆巖垮落“三帶”特征、巖層位移等方面對該條件下開采引起的覆巖移動規(guī)律進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)原理

相似材料模擬的實(shí)質(zhì)［3］是:用與原型 (巖體、大壩或其他人工結(jié)構(gòu))力學(xué)性質(zhì)相似的材料 (符合相似原理)按幾何相似常數(shù)縮制成模型，然后在模型的基礎(chǔ)上開挖各類工程，例如巷道或采場，以觀察與研究工程圍巖內(nèi)的變形和破壞等礦壓現(xiàn)象。相似材料模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為礦山工程研究的重要方法之一。相似理論要求模擬模型與實(shí)體原型的各對應(yīng)量必須成一定比例關(guān)系，煤礦開采的相似模擬實(shí)驗(yàn)要求模型與實(shí)體在以下3個方面相似:幾何相似、運(yùn)動相似、動力相似。

2 煤層概況

某礦區(qū)2－2煤層發(fā)育于延安組中巖段，是主要可采煤層之一。2－2煤層開采深度最小196.22 m，最大202.98m，平均193.46m。煤厚最小6.09m，最大7.21m，平均6.65m，底層割煤3m，放頂煤厚度為3.65m，煤層厚度由北向南逐漸增厚，為全區(qū)可采穩(wěn)定厚煤層。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料，整理出了該區(qū)各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。松散層厚度平均為2m，基巖層厚度平均191.46m，各巖層巖性及對應(yīng)厚度如表2中真實(shí)厚度所示。

表1 煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)

3 試驗(yàn)裝置與模型設(shè)計

3.1 試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)布置

相似模擬試驗(yàn)臺主體由槽鋼和角鋼組成，長、寬、高分別為1800mm，160mm，1300mm，采用平面應(yīng)力模型，試驗(yàn)臺正面模板用厚鋼板制成，通過試驗(yàn)臺兩邊孔固定模板。

為了記錄工作面開采過程中上覆巖層的移動情況，在煤層上方的巖層中每隔100mm均勻布置一個位移測點(diǎn)。

3.2 模型設(shè)計

根據(jù)原型條件和試驗(yàn)裝置，確定幾何相似比為αL=200∶1，容重相似比為αγ=1.6∶1，時間相似比為14.142。由于在煤層開采過程中，底板對上覆巖層移動的影響相對較小，所以在建立相似模型的時候?qū)γ簩拥装暹M(jìn)行簡化［4］，即在實(shí)驗(yàn)中只鋪設(shè)60mm左右的底板。鋪設(shè)的模型長度為1800mm，寬為160mm，高約為1000mm。

3.3 模型材料

相似模擬材料主要由細(xì)砂、石灰、石膏組成。不同材料配比組成不同種類的相似材料，其力學(xué)性能不同。各巖層在相似模型中的厚度及強(qiáng)度可以分別用式 (1)和式 (2)轉(zhuǎn)換［5］。根據(jù)已計算出的模型力學(xué)參數(shù)，選定骨料及膠結(jié)料進(jìn)行配比試驗(yàn)，最后選擇出滿足試驗(yàn)要求的合理配比。

式中，LM，LH分別為模擬厚度、實(shí)體厚度。

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度; ασ=αL·αγ=320。

通過上面的計算與研究，可得出各煤巖層模型的厚度、抗壓強(qiáng)度、重力密度及材料配比等參數(shù)，如表2所示。

表2 相似模擬試驗(yàn)材料配比

3.4 過程簡述

相似材料模擬模型自行風(fēng)干后即可開始工作面開挖實(shí)驗(yàn)。首先用電子經(jīng)緯儀測量位移測點(diǎn)的角度作為位移測點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。為消除邊界效應(yīng)，自左邊界300mm處開始對煤層進(jìn)行劃分，劃分長度為40mm。開始實(shí)驗(yàn)時，在距左邊界300mm處開切眼，為簡化實(shí)驗(yàn)工作面每次推進(jìn)長度為40mm。在工作面推進(jìn)的同時，用電子經(jīng)緯儀觀測所布置的位移測點(diǎn)的角度變化，并做好詳細(xì)記錄，具體實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。

圖1 上覆巖層垮落

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 垮落步距

模型未開挖狀態(tài)如圖1(a)所示;工作面自開切眼開始推進(jìn)，推至64m時基本頂出現(xiàn)第1次垮落，如圖1(b)所示;推至80m，96m，112m，136m，152m，176m，192m，216m，232m處時出現(xiàn)第2，第3，第4，第5，第6，第7，第8，第9，第10次垮落，如圖1(c) ～(k)所示;推至256m時出現(xiàn)第11次垮落并且貫穿地表，如圖1(l)所示。基本頂初次垮落步距為64m，周期垮落步距分別為16m，16m，16m，24m，16m，24m，16m，24m，16m，周期垮落步距為16～24m，平均為20m，垮落步距呈大小交替周期性變化。根據(jù)覆巖關(guān)鍵層理論進(jìn)行分析可知［6－7］，近淺埋厚煤層工作面頂板形成雙關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，兩組關(guān)鍵層的不同步距破斷是造成垮落步距呈現(xiàn)大小交替情況的主要原因。

4.2 巖層垮落形態(tài)

如圖1所示，不同于典型淺埋煤層工作面頂板及上覆巖層破斷規(guī)律，近淺埋煤層工作面頂板并沒有出現(xiàn)臺階下沉和整體切落現(xiàn)象。

隨著工作面的推進(jìn)，工作面上覆巖層經(jīng)歷了“離層—垮落—壓實(shí)”3個過程，離煤層越近的巖層破碎程度越大，離煤層越遠(yuǎn)其彎曲下沉程度越小，工作面上覆巖層無明顯臺階下沉。在巖層垮落下沉過程中，當(dāng)上部巖層強(qiáng)度明顯高于其下部的巖層強(qiáng)度時，在兩巖層的交界面上容易形成離層。由圖1可以看出，從上覆巖層發(fā)生移動開始直到開采引起的巖層移動波及到地表，離層大量存在。在整個開采過程中，在垂直方向離層是由下向上發(fā)展的，且離層是逐漸減小的。隨著垂直方向的向上運(yùn)動，離層在水平方向向著煤層開采方向運(yùn)動。運(yùn)動穩(wěn)定后，離層的位置多位于采空區(qū)的中央正上方。

4.3 覆巖垮落“三帶”特征

從相似材料模擬結(jié)果可知，在近淺埋煤層的開采過程中，上覆巖層的移動能夠較為明顯地形成“三帶”，即垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶［8］。

當(dāng)工作面推進(jìn)到24m時，直接頂開始冒落，并隨著工作面推進(jìn)隨采隨冒，基本頂上方出現(xiàn)離層。當(dāng)工作面推進(jìn)到64m時基本頂初次破斷，工作面經(jīng)歷基本頂初次垮落，垮落步距為64m，如圖1(b)所示。隨著煤層的采出，上覆巖層中出現(xiàn)垮落帶，并且上方巖層中產(chǎn)生離層及豎向微裂隙。

當(dāng)工作面推進(jìn)到80m時，基本頂?shù)?次周期性破斷，工作面經(jīng)歷基本頂周期破斷。此時，破斷的基本頂形成鉸接結(jié)構(gòu)，上覆巖層中出現(xiàn)裂縫帶，如圖1(c)所示。隨著開采的進(jìn)行，覆巖中未破斷巖層裂縫發(fā)育明顯，此階段屬于裂縫帶的發(fā)展階段，如圖1(d) ～1(g)所示。裂縫帶巖層雖已斷裂成塊，仍整齊排列，在彎曲下沉過程中互相鉸接保持平衡。

當(dāng)工作面推進(jìn)到152m時，裂縫帶上方的巖層不再發(fā)生破斷，只發(fā)生整體彎曲下沉，巖層中裂隙數(shù)量變少，且連通性變差，這標(biāo)志著上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉帶，如圖1(h)所示。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，彎曲下沉帶的巖層保持基本連續(xù)，同時彎曲帶在垂直方向由下向上發(fā)展，如圖1(i) ～1(k)所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到256m時，工作面開采引起的覆巖移動波及到地表，采空區(qū)及巖層中的裂隙進(jìn)一步壓實(shí)，如圖1(l)所示。經(jīng)測量上覆巖層的最終垮落角約為70°。

4.4 巖層位移

在實(shí)驗(yàn)之前對模型布置了8行13列位移觀測點(diǎn) (自上而下編號1～8;自左向右編號1～13)，并用經(jīng)緯儀對每個觀測點(diǎn)進(jìn)行測量作為原始數(shù)據(jù)。煤層開挖后，對發(fā)生移動的觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測記錄，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。對相似模擬實(shí)驗(yàn)位移觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出巖層垂直位移和水平位移圖，如圖2和3所示。

圖2 觀測點(diǎn)的垂直位移

圖3 觀測點(diǎn)的水平位移

由圖2可知，隨著工作面的開采，上覆巖層會發(fā)生破壞、變形、移動。巖層的垂直位移量隨著巖層距煤層的距離增大而減小，破壞變形范圍呈梯形狀，且垂直位移最大處基本是在下沉巖層的中部。由垂直位移量得出巖層垂直位移曲線，曲線總體上呈“U”形，即中部位移大，兩邊位移小。

由圖3可知，煤層開采時，上覆巖層在產(chǎn)生垂直位移的同時也要產(chǎn)生水平位移。從水平位移曲線來看，一部分位移曲線為正，一部分位移曲線為負(fù)，說明巖層在水平方向總體上是由兩側(cè)向中部移動，即巖層受自重影響要彎曲下沉，在下沉過程中帶動兩側(cè)巖層向采空區(qū)中部位置移動。因?yàn)殡S著巖層距煤層距離的增大，上覆巖層下沉量減小，所以相應(yīng)的水平位移也隨之減小，在曲線上就體現(xiàn)為下部觀測點(diǎn)的水平位移大，而上部觀測點(diǎn)的水平位移較小。巖層水平位移曲線總體上呈“～”形。

5 結(jié)論

運(yùn)用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，針對某工作面實(shí)際情況，對近淺埋厚煤層綜放開采時覆巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:

(1)當(dāng)工作面推進(jìn)到25m時，直接頂開始垮落;當(dāng)工作面推進(jìn)到64m時，基本頂初次垮落?；卷敵跗诳迓洳骄酁?4m，周期垮落步距為16～24m，平均為20m，垮落步距呈大小交替周期性變化。

(2)近淺埋煤層工作面在推進(jìn)過程中，工作面頂板及上覆巖層沒有出現(xiàn)明顯臺階下沉，工作面上覆巖層的移動經(jīng)歷了“離層—垮落—壓實(shí)”3個過程，離層大量存在于覆巖運(yùn)動的整個過程中。

(3)區(qū)別于典型淺埋煤層上覆巖層只形成垮落帶和裂縫帶，在近淺埋煤層的開采過程中，上覆巖層的移動能夠較為明顯地形成“三帶”，即垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶。

(4)在近淺埋煤層工作面開采過程中，上覆巖層垂直位移量大致以采空區(qū)中心為對稱軸呈“U”形分布，且中部大兩邊小，隨著巖層距煤層的距離增大垂直位移量減小。上覆巖層水平位移量總體上呈“～”形狀，水平位移方向總體上是由兩側(cè)向中部移動，隨著巖層距煤層距離的增大，水平位移量減小。

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