急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究.pdf

焦作工学院学报自然科学版 , 第22卷,第3期, 2003年5月 Journal of Jiaozuo Institute of Technology Natural Science , Vol. 22 , No. 3 , May 2003 急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究 汪成兵,张 盛,勾攀峰,张义顺 焦作工学院 资源与材料工程系,河南 焦作454000 摘要相似材料模拟试验是研究矿山压力及围岩运动的重要手段.本文以平顶山煤业集 团有限责任公司十三矿己15 - 1712041工作面为模拟对象,对己组煤开采上覆岩层运动规 律进行相似材料模拟试验,通过对模拟试验结果分析,得出己组开采上覆岩层的运动规律. 关 键 词运动规律;相似模拟;急倾斜煤层 中图分类号 TD 352 文献标识码 A 文章编号 1007Ο7332 2003 03Ο0165Ο03 0 引 言 平顶山煤业集团有限责任公司十三矿,设计生产能力为180万t/ a , 1993年破土动工, 1998 年7月试生产,主要开采二叠系山西组己15 - 17煤层即二1煤层 . 采用一对立井、采区上下山开采. 由于新建矿井矿压研究尚属空白,并且由于该矿地质条件变化大,邻近矿井的矿压研究成果不便利 用,因此,有必要对该矿己组煤开采后上覆岩层的运动规律进行研究. 相似材料模拟试验是研究矿山压力及围岩运动的方法之一,它以相似理论为依据,用与煤岩力学 性质相似的材料,按原型与模型间所需的相似准则做成模型,然后在模型中开拓巷道或进行回采,观 察顶板岩层的变形、位移及破坏情况,据此分析原型中所发生的情况,试验结果直观,相似程度高. 1 模型设计与试验 试验采用长 宽 高 1. 5 m0. 1 m1. 1 m的平面应力模型试验架.试验时模型架前后安装固 定有机玻璃和钢板,一方面限制模型纵向位移,另一方面便于观测和拍照. 1. 1 相似模拟试验的现场条件 试验以平顶山煤业集团责任有限公司十三矿己15 - 1712041工作面为模拟对象,采用平面应 力模型研究沿倾斜方向顶板的运动. 12041工作面开采己15 - 17煤层,采深为322～450 m ,煤层平均厚度为5. 15 m ,煤层倾角为45, 工作面斜长为75 m.采用走向长壁分层开采爆破落煤法,分层采高为2. 5 m .煤层顶板为9. 1 m厚的 大占砂岩,煤层底板为4. 86 m的细砂岩,其顶、底板物理力学性质见表1. 1. 2 相似比的选择 以岩石抗压强度、抗拉强度、密度、几何条件为主,在满足上述参数相似的同时,应使模型与原 型的边界条件及初始条件相似.据相似理论、试验台规格和模拟条件,相似参数定为几何比αL 1/75,密度比αγ0.63,强度比ασαL α γ8.410 -3 ,外力比αpαγ α 3 L1.4910 -6. 1. 3 相似材料的选取和模型架制作 根据相似材料模拟试验的要求[1],模型相似材料以石英砂作为骨料,石膏、石灰、碳酸钙作为 胶结材料,和水按一定比例配制而成,倾斜分层铺设于模型架中,层与层之间撒入滑石粉模拟层面, 收稿日期 2003Ο01Ο16 ;修回日期 2003Ο02Ο18 作者简介汪成兵1979Ο , 男,安徽怀宁人,硕士研究生,从事矿山岩体力学方面的研究. 如图1所示.模型采用杠杆法进行加载. 表1 煤层顶、底岩层的物理力学性质 Tab. 1 Physical and mechanical feature of the seam roof and floor 序号岩 性厚度/ m抗压强度/ MPa密度/ tm- 3序号岩 性厚度/ m抗压强度/ MPa密度/ tm- 3 1粉砂岩 5. 60 47. 07 2. 77煤 层 5. 1510 1. 4 2中粒砂岩 9. 70 78 2. 848细砂岩 4. 8693. 82. 7 3细砂岩 2. 40 93. 8 2. 79砂质泥岩 5. 4039. 42. 7 4砂质泥岩 1. 80 39. 4 2. 710泥灰岩 2. 3032. 42. 5 5老顶 5. 10 56. 9 2. 711灰岩 11. 80422. 5 6直接顶 4. 0 49. 2 2. 5 注老顶、直接顶均为大占砂岩 2 试验结果及分析 1上分层开采后,直接顶岩层先在层理处离 层,然后断裂,断裂岩块大部分趋于一致.工作面上 下部采空区顶板跨落不一致,具有不对称性.采空区 上部直接顶冒落充分,与周围岩体完全脱离,下部冒 落不充分.直接顶冒落后,老顶与上位岩层产生裂 隙,但由于岩块间咬合,其跨落不充分. 2下分层开采后,直接顶随采随跨,且进一步 破碎.随着时间的推移,在上覆岩层及外在载荷的作 用下,老顶完全跨落,沿倾斜方向分成3块.工作面 上侧采空区顶板岩层被弯曲拉断,下侧采空区上覆岩 层未在煤壁处剪断.上覆岩层最终跨落情况如图2、 图3所示. 开采后顶板的跨落特征为上覆岩层按破坏程度 自下而上存在着冒落带、裂隙带、弯曲下沉带.沿倾 斜方向冒落带形状为上、下端不对称的平顶拱形,其 拱顶长度为32 cm ,拱底即工作面斜长100 cm.垂直 工作面层面上,上覆岩层呈层状冒落,顶板冒落最大 法线高度为44 cm ,相当于两层采高的6. 41倍,位 于采空区中上部;下部最大法线冒落高度为30 cm , 相当于两层采高的4. 4倍.冒落拱上端拱边缘与采空 区跨落岩层完全脱离,并存在有一定的空隙,下端拱 边缘与采空区跨落岩层未完全脱离.处于工作面中、 上部的顶板岩层运动较为激烈,下部较平缓;在冒落 带之上为裂隙带,岩层破断而连续,呈弯曲下沉,其 最大下沉值位于工作面中部偏上;在裂隙带之上存在 弯曲的下沉带,其随时间的推移,产生缓慢移动. 从图3可以看出,由于受煤层采空后的影响,模 型左部岩层将向右运动,从而产生裂隙1、2 ,煤层 底部也产生裂隙3. 661 焦作工学院学报自然科学版 2003年第22卷 3 工作面开采矿压显现特征 根据现场观测及工作面上、中、下三测站观测 阻力曲线分析,工作面上部、中部、下部的初次来 压步距和周期来压步距不尽相同.工作面上部、中 部、下部初次来压步距分别为30 m、39 m、44 m. 周期来压步距下部较上部有加大的趋势,而中上部 趋于同步.工作面上部初次来压强度系数为1. 6 , 周期来压强度系数平均为1. 4 ;中部初次来压强度 系数为1. 4 ,周期来压强度系数平均为1. 3 ;下部 初次来压强度系数为1. 16 ,周期来压强度系数平 均为1. 15 .由此可看出,工作面中、上部矿压显 现较剧烈,下部较缓,这和模拟试验观测到的结果 一致. 4 结 论 将模型试验结果推广到原型可以看出, 12041 工作面顶板冒落带形状为上、下不对称的平顶拱形,拱的高度为22. 5～33 m ,拱顶长度为24 m ,拱 底即工作面斜长为75 m.上拱边缘与采空区岩层完全脱离,下拱边缘与采空区岩层并未完全脱离. 工作面中、上部矿压显现较剧烈,下部较缓. 参考文献 [1] 李鸿昌.矿山压力的相似模拟试验[M].徐州中国矿业大学出版社, 1987. Similar material simulation study on the mining overburden movement law in steep seam WANG ChengΟbing , ZHANG Sheng , GOU PanΟfeng , ZHANG YiΟshun Dept.of Resource similar simulatiom; steep seam 本文责任编校 胡秀芳 761第3期 汪成兵等急倾斜煤层开采上覆岩层运动规律模拟研究