煤層開(kāi)采上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究及分析

張九零，范酒源

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000)

煤層開(kāi)采上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究及分析

張九零1，2，范酒源1

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000)

上覆巖層；移動(dòng)規(guī)律；周期來(lái)壓；數(shù)值模擬

以羊東礦2號(hào)煤層為基礎(chǔ)，采用相似材料模擬試驗(yàn)的方法，研究煤層開(kāi)采中及采后上覆巖層移動(dòng)的規(guī)律、變化及特點(diǎn)。根據(jù)模擬結(jié)果可知：煤層開(kāi)采對(duì)上覆巖層應(yīng)力變化作用范圍在25 m之內(nèi)，當(dāng)工作面推進(jìn)18 m時(shí)，頂板應(yīng)力達(dá)到峰值，當(dāng)工作面推進(jìn)到32 m時(shí)，老頂初次來(lái)壓，平均來(lái)壓步距為7.0 m。

近些年，煤炭企業(yè)對(duì)采煤工作面的安全生產(chǎn)越來(lái)越重視，隨著采煤工作面的推進(jìn)，上覆巖層將會(huì)受到各種因素的影響，導(dǎo)致煤層原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，造成覆巖變形、破壞、移動(dòng)，發(fā)生垮落和下沉現(xiàn)象。因此，研究上覆巖層移動(dòng)規(guī)律具有一定的意義[1]。

1 工程概況

峰峰集團(tuán)羊東礦2號(hào)煤層分布穩(wěn)定，煤層厚度為4.02～7.35 m，平均厚度為5.54 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其周?chē)?3個(gè)巖層；直接頂由厚度為0.6～16.98 m的粉砂巖組成，砂巖平均厚度為4 m，同時(shí)偶有泥巖、砂泥巖互層，脆且易碎；老頂為中粒砂巖，致密堅(jiān)硬；底板的灰黑色粉砂巖，厚度為8 m，致密易碎，其巖層物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 巖層物理性質(zhì)參數(shù)

2 相似材料模擬試驗(yàn)

2.1 基本原理

相似材料模擬試驗(yàn)是將與原型物理力學(xué)性質(zhì)相似的材料，按預(yù)定比例縮放后制成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)置相似邊界條件后，進(jìn)行研究的一種試驗(yàn)方法。采用此方法模擬采煤后煤層頂?shù)装蹇迓涞倪^(guò)程，并采用相關(guān)技術(shù)監(jiān)測(cè)巖層位移、應(yīng)力變化[2-4]。

2.2 模型材料配比及應(yīng)力加載值

根據(jù)2號(hào)煤巖層的實(shí)際地質(zhì)資料、巖層物理參數(shù)及相似計(jì)算公式，計(jì)算出模型材料配比，如表2所示。

表2 模型分層配比表

按照各層容重為1 600 kg/m3計(jì)算，原型應(yīng)力為：

(1)

式中：qp——原型未模擬巖層壓力，kPa；

H——采深，m；

H1——模擬頂板巖層高度，m；

γp——原巖容重，kN/m3。

模型上的加載值qm應(yīng)為：

(2)

經(jīng)計(jì)算得出：

qm=42.1 kN

2.3 相似參數(shù)確定

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缭O(shè)計(jì)300 cm×210cm×30cm，幾何相似比為：Cl=1/50；容重相似比為Cγ=0.6；應(yīng)力相似比為Cσ=Cγ×Cl=0.012；時(shí)間相似比為：Ct=Cl1/2≈1/6，模型尺寸如圖1所示。

圖1 模型尺寸圖

2.4 測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)使用DRA-30A型多通道數(shù)字應(yīng)變儀、TGD-02-8型光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、全站儀監(jiān)測(cè)上覆巖層應(yīng)力、應(yīng)變及頂板垮落過(guò)程，分析上覆巖層移動(dòng)規(guī)律，其相應(yīng)設(shè)備及測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹苯禹斉c老頂之間，布置應(yīng)變片測(cè)試上覆巖層的應(yīng)力，從開(kāi)采線到停采線，布置13個(gè)，間隔為10 cm，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片位置圖

在直接底下方布置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，自開(kāi)采線右側(cè)10 cm處至停采線，共6個(gè)，間距為20 cm，如圖3所示。

圖3 壓力盒的安裝位置

在老頂上方設(shè)置應(yīng)變計(jì)，自開(kāi)采線左側(cè)10 cm處至停采線，共7個(gè)，間距20 cm，如圖4所示。

圖4 應(yīng)變計(jì)的安裝位置

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔簩由戏讲贾脺y(cè)試上覆巖層移動(dòng)規(guī)律的測(cè)點(diǎn)，共8排，縱向測(cè)點(diǎn)，自煤層頂板向上，間距為5 cm，橫向測(cè)點(diǎn)，間距為5 cm，離煤層較遠(yuǎn)區(qū)域，橫、縱向測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為10 cm，具體設(shè)置如圖5所示。

圖5 位置測(cè)點(diǎn)布置圖

3 采動(dòng)覆巖移動(dòng)規(guī)律

3.1 采動(dòng)覆巖、底板應(yīng)力分析

隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)，覆巖下方煤體逐漸被采空，導(dǎo)致上覆巖層的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生變化。首先，直接頂失去下方煤層的支持力，在自身重力和煤層兩側(cè)拉應(yīng)力共同作用下，發(fā)生形變、破碎、垮落的現(xiàn)象；然后，上覆巖層的應(yīng)力不平衡狀態(tài)逐漸向上方延展，最終達(dá)到一個(gè)新的力學(xué)平衡狀態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中采場(chǎng)會(huì)發(fā)生一系列應(yīng)力變化，圖6所示為采動(dòng)覆巖頂板壓力變化。

圖6 頂板壓力變化圖

如圖6所示，在采煤工作面不斷向前推進(jìn)的過(guò)程中，上覆巖層應(yīng)力的變化趨勢(shì)是先緩慢上升至峰值，當(dāng)推進(jìn)后，開(kāi)采對(duì)原巖應(yīng)力的作用慢慢消失，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。具體分析如下：當(dāng)檢測(cè)點(diǎn)距離開(kāi)采位置比較遠(yuǎn)時(shí)，幾乎感應(yīng)不到應(yīng)力的變化，這表明開(kāi)采對(duì)上覆巖層應(yīng)力變化有一定的作用范圍。由圖可知，作用范圍在25 m范圍內(nèi)，應(yīng)力開(kāi)始發(fā)生變化，當(dāng)工作面不斷靠近檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力值緩慢上升，超過(guò)25 m范圍，采動(dòng)對(duì)巖層應(yīng)力的作用幾乎為零。在作用范圍內(nèi)，上覆巖層應(yīng)力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。在工作面推進(jìn)18 m時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)，測(cè)點(diǎn)上方巖層發(fā)生斷裂、破碎，由于應(yīng)力集中在工作面附近巖層，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力逐漸降低、回落，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面40 m以后時(shí)，應(yīng)力將會(huì)逐漸恢復(fù)。

圖7 底板壓力變化圖

由圖7可以分析出采動(dòng)對(duì)煤層底板應(yīng)力變化趨勢(shì)，具體敘述如下：

(1)底板應(yīng)力升高區(qū)[5]。當(dāng)工作面沒(méi)有推進(jìn)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)壓力逐漸上升，由圖7可知，應(yīng)力上升范圍位于測(cè)點(diǎn)距離工作面10～20 m內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析此區(qū)域的受力狀態(tài)，當(dāng)工作面未推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)時(shí)，底板巖層會(huì)受到的水平擠壓力，在靠近工作面的一側(cè)，底板應(yīng)力起到拉伸作用，可以看出，底板應(yīng)力的變化使得煤層的底板受到了破壞。

(2)底板應(yīng)力下降區(qū)。如圖7可知，當(dāng)工作面距離測(cè)點(diǎn)的范圍在-10～10 m內(nèi)時(shí)，此時(shí)的壓力較低，此種現(xiàn)象的形成是由于煤體被開(kāi)采后，上覆巖層處于懸空狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生垮落，煤層底板沒(méi)有較好的壓力傳導(dǎo)介質(zhì)，形成壓力空檔期。

(3)底板應(yīng)力恢復(fù)穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)域在工作面后7～30 m內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，底板的壓力由低應(yīng)力階段轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力恢復(fù)階段，由于卸壓階段過(guò)后，采場(chǎng)的應(yīng)力空檔期被垮落矸石填充，應(yīng)力開(kāi)始傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力逐漸恢復(fù)。30 m后達(dá)到新的力學(xué)平衡狀態(tài)。

3.2 采動(dòng)覆巖移動(dòng)規(guī)律分析

隨著工作面推進(jìn)，上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律如下所述：

煤層推進(jìn)的開(kāi)始階段，沒(méi)有出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，裂隙逐漸慢慢發(fā)育，隨著直接頂逐漸暴露，在煤層上覆巖層兩端縱向裂隙顯現(xiàn)，并增加，然后逐漸向上方巖層的弱面擴(kuò)展。此時(shí)由上覆巖層前后方的煤柱支持其壓力，此時(shí)，上覆巖層受拉簡(jiǎn)力作用，裂隙發(fā)展增多，出現(xiàn)離層裂隙。

圖8 覆巖垮落形態(tài)

當(dāng)推進(jìn)至24 m時(shí)，煤層上方裂隙發(fā)育迅速增多，可以清楚地觀察到上覆巖層的縱向裂隙，離層裂隙充分發(fā)展導(dǎo)致直接頂垮落[6](如圖8a)。推進(jìn)32 m時(shí)，可以明顯看到離層逐漸向上發(fā)育，最終到達(dá)老頂上方，由于縱向裂隙、離層裂隙發(fā)育成熟，導(dǎo)致老頂垮落(如圖8b)，此時(shí)，可以分析出老頂初次來(lái)壓[7]約為32 m。當(dāng)煤層推進(jìn)至38 m、47 m、54 m、60 m時(shí)，相繼發(fā)生了4次周期來(lái)壓。上覆巖層重復(fù)發(fā)生彎曲、裂隙發(fā)展、巖層垮落的現(xiàn)象，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)，表3所示為老頂來(lái)壓步距。

表3 老頂來(lái)壓步距統(tǒng)計(jì)

通過(guò)表3和以上分析可以得出，上覆巖層在煤層采動(dòng)過(guò)程及采后的移動(dòng)規(guī)律可分為直接頂垮落、老頂垮落、周期垮落3個(gè)階段，并且，老頂平均周期來(lái)壓步距為7.0 m。

4 結(jié)論

(1)煤層開(kāi)采對(duì)上覆巖層應(yīng)力變化作用范圍在25 m之內(nèi)，>25 m采動(dòng)對(duì)上覆巖層應(yīng)力影響較小，當(dāng)工作面推進(jìn)18 m時(shí)，頂板應(yīng)力達(dá)到峰值，當(dāng)工作面推進(jìn)40 m時(shí)，頂板應(yīng)力恢復(fù)到穩(wěn)定值。

(2)采動(dòng)對(duì)煤層底板應(yīng)力的影響主要?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)域，應(yīng)力升高區(qū)，其范圍在工作面距離檢測(cè)點(diǎn)10～20 m范圍內(nèi)；應(yīng)力下降區(qū)，其范圍在工作面距離檢測(cè)點(diǎn)-10～10 m范圍內(nèi)；應(yīng)力恢復(fù)穩(wěn)定區(qū)，其范圍在工作面距離檢測(cè)點(diǎn)7～30 m范圍內(nèi)。

(3)當(dāng)工作面推進(jìn)24 m時(shí)，上覆巖層出現(xiàn)離層裂隙，推進(jìn)到32 m時(shí)，老頂初次來(lái)壓，推進(jìn)到38 m、47 m、54 m、60 m時(shí)，發(fā)生4次周期來(lái)壓，平均來(lái)壓步距為7.0 m。

[1] 賀凌城,賈繼祖,袁博.長(zhǎng)治礦區(qū)綜放工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律[J].煤礦安全,2014,(09)：40-42.

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Similar Simulation Test Research and Analysis on Overburden Movement Law of Seam Mining

ZHANG Jiu-ling1,2, FAN Jiu-yuan1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063210, China;2.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention, Ministry of Education, Fuxin Liaoning 123000, China)

overlying strata; moving law; periodic pressure; numerical simulation

Taking Yangdong mine No. 2 coal seam as example, based on similar material simulation test methods, the movement law, the changes and features of overburden in coal mining and after mining were researched. The simulation results show that the effect of coal seam mining on the stress change of overlying strata is within 25 m. When the advance of working surface is 18 m, the roof stress to reach the peak, when the advance of working surface is 32 m, the first to the old top pressure, the average pressure step distance is 7.0 m.

2095-2716(2017)02-0020-06

2016-11-23

2017-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504077,51404086)，河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016209056)，河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(15274112)華北理工大學(xué)杰出青年基金(jp201509)。

TD821

A