急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验.pdf

第 23 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 233441～445 2004 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2004 2002 年 11 月 13 日收到初稿，2003 年 1 月 16 日收到修改稿。 * 安徽省自然科学基金03044401资助项目。 作者 高明中 简介男，46 岁，硕士，1982 年毕业于安徽理工大学采矿系采矿工程专业，现任教授，主要从事于矿山岩石力学方面的研究工作。E-mail tsg。 急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验 * 高明中 安徽理工大学资源开发与管理工程系 淮南 232001 摘要 针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采 引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积 层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。所得结果对现场开采及地表沉陷治理具有一定的指导作用，对于同 类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。 关键词 采矿工程，相似模拟试验，急倾斜煤层，岩体移动，地表沉陷 分类号 TD 315.3 文献标识码 A 文章编号 1000-6915200403-0441-05 SIMILARITY MODEL TEST OF STRATA MOVEMENT WITH STEEP SEAM Gao Mingzhong Dept. of Resources Exploration and Management Engineering，Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001 China Abstract According to the complex mining and geological conditions of deep excavation in Xinji mine， similarity model test is carried out for strata movement and surface subsidence due to coal extraction in No.3 mining district. Based on the analysis of repetitive mining with thick soil layers and deep coal seam，the special phenomena are put forward and the basic features of strata movement and the related parameters of mining subsidence are obtained. Also，the results are of tutorial impact for practical mining and governing of subsidence hazards. Key words mining engineering，similarity model test，steep seam，strata movement，mining subsidence 1 引言 地下固体、液体资源的开采均会导致不同程度 的地表沉陷，由此带来一系列的环境问题。国内外 学者对开采沉陷进行了大量的研究，取得了丰硕的 成果[1 ～7]。但由于采矿地质条件的复杂性，使得问 题仍未得到圆满解决，如厚冲积层急倾斜煤层群开 采重复采动条件下的开采沉陷，国内外研究得不 多[8 ～12]。如何掌握这类复杂条件下地表移动变形的 特点是解决急倾斜煤层开采矿井采动损害问题的当 务之急。本文通过模型试验的方法，针对新集三矿 西三采区开采的实际情况，对开采岩移基本规律和 地表移动变形规律进行了研究，这对于指导新集矿 区“三下”采煤具有重要意义。 2 研究区域地质背景 新集三矿西三采区主要可采煤层有 3 层，分别 为 13，11和 8煤层，煤层间距平均为 53 和 45 m。 平均厚度分别为 5，1.5，3.2 m，煤层倾角平均为 60 。 采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法。 采区新生界 442 岩石力学与工程学报 2004 年 地层由第四系和第三系组成，厚度为 143～167 m， 属于厚冲积层。矿井地面标高平均20 m，采区开 采范围为－200～－340 m，走向长为 700 m。区域内 无大的断层构造。实测冒裂带高度约为 39 m。采区 范围为地面堤坝保护煤柱圈定范围，堤下压煤 960 104 t。采区范围内岩土力学性质见表 1。表中γ 为 容重， c σ 为单轴抗压强度，E 为弹模。 表1 岩土物理力学参数 Table 1 Physico-mechanical parameters of rock and soil 岩性 厚度/m γ / kNm －3 σc / MPa E/104 MPa 表土层 20.0 19.6 0.76 0.30 砂粘土层 9.0 16.6 2.40 0.80 细-中砂层 40.0 20.0 4.20 1.20 粘土层 77.0 20.0 15.30 2.10 砂岩 16.0 26.7 54.00 8.20 泥岩 9.0 25.6 34.40 3.23 石英砂岩 28.0 27.4 66.70 12.50 泥岩 34.0 25.6 34.40 3.23 13 煤 5.0 14.4 11.80 1.63 泥岩 31.0 25.6 34.40 3.23 细砂岩 22.0 27.4 50.90 4.56 11 煤 1.5 14.4 11.80 1.63 细砂岩 12.0 27.4 50.90 4.56 泥岩 13.0 25.6 34.40 3.23 细砂岩 12.0 27.4 50.90 4.56 泥岩 18.0 25.6 34.40 3.23 8 煤 3.2 14.4 11.80 1.63 砂岩 7.0 26.7 54.00 8.20 砂质泥岩 34.0 26.8 46.50 2.76 6 煤 1.60 14.4 11.80 1.63 砂质泥岩 10.0 26.8 46.50 2.76 细砂岩 55.0 27.4 50.90 4.56 泥岩 20.0 25.6 34.40 3.23 中粒砂岩 6.0 27.4 50.90 10.80 3 相似模型试验设计 根据新集三矿地质与采矿条件和厚冲积层、急 倾斜煤层、重复采动影响的特点，在确定相似材料 模拟试验时主要依据以下原则1 重点分析浅部 煤层开采的影响，并考虑其表土层结构和围岩岩性 和位置的影响；2 在相似材料模型设计时应该考 虑所有开采煤层、最大开采厚度，并且要研究开采 强度对堤坝移动、变形和破坏的影响；3 重点研 究倾斜模型。即模拟煤层铺设成倾斜状，表土层铺 成水平状；4 堤坝横截面相对较小，可以忽略。 为了使问题得到必要的简化和便于对比分析，确定 试验方案时主要考虑围岩强度、 岩层分层厚度、 节理 裂隙、采动影响等几个方面。模型试验的特点是能 够模拟出随采场推进覆岩运动和地表沉陷的动态变 化特征以及与时空的对应关系，以便进行过程分析。 模型平面布置见图 1。根据新集三矿的开采地 质条件，运用相似理论进行急倾斜煤层的岩体移动 和开采沉陷的相似模型试验研究。由开采引起的岩 层和地表移动有关的物理量为运动时间 t，运动 速度 v，岩石密度γ ，几何尺寸 l，岩层的力学性质 σ ，重力加速度 g。由相似第二定理知，表征岩层 移动这一现象有 6 个物理量，其中 3 个的量纲是相 互独立的，故其相似比数为 3 个，即时间比、几何 比和强度比。模型试验要求模型与原型的岩层厚度、 采深以及开采空间的几何尺寸均应满足几何比。模 型几何比愈大，其精度越高，越能反映原型的实际 情况，但所需成本和时间也越多。实践证明，只要 材料性能合适，在提高加工精度及砌筑工艺水平， 采取较高精度的量测设备等技术措施的基础上，适 当缩小模型的几何比是可行的。考虑到研究问题的 性质和模型操作与测试的可能性，取模型的几何相 似比为200/1 L α。在相似材料模拟试验中，相似 材料的选择是非常重要的一个环节，它决定着模拟 真实岩体的精确性以及在模型上模拟原型重要特征 的可能性和全部试验的实用性。本试验选取以河砂 和粘土为骨料，石膏和石灰为胶结物的石膏混合物 为相似材料。容重相似比为 α 1/1.667。按照 相似准则，根据前已确定的几何相似比和容重相似 比，可以得到模型的应力相似比为 α3/1 000。 根据蠕变试验曲线，岩石受力后产生弹性应变，则 模型中应包含弹性元件；应变随时间有增大的趋势， 则模型中应包含粘性元件，应力降为零时，应变有 图 1 模型布置图 Fig.1 Layout of model design 第 23 卷 第 3 期 高明中. 急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验 443 部分恢复，这一特征与开尔文模型类似；在时间无 限延长时，应变将趋于某一定值，这与广义开尔文 体的特征相似。综上所述，本次试验采用 H-K 体模 型较为合适。受试验条件限制，以模型在重力作用 下 的 运 动 学 相 似 求 取 开 挖 模 拟 的 时 间 比 为 2/1 l ααγ1/14.4。换句话说，模型中每 1.7 h 推进 2 cm相当于原型中每天推进 4 m。试验在规格长 宽高为 3.0 m0.3 m1.2 m的平面模型试验台上 进行。 模型试验以大型平面模型架、 液压加载系统、 YHD 型位移计、YJ-17 应变仪、应变数据采集与处 理系统、经纬仪等组成试验装置。 4 试验过程描述 试验过程包括 相似材料配比试验、 模型制作、 模型开采、模型观测和观测成果处理等项工作。 首先，进行模型材料的配比工作。根据模型的 主要岩性参数容重和抗压强度，进行相似材料的配 比。为了选取合适的相似材料配比，首先做了砂胶 比为 3∶1～12∶1 的相似材料配比试验，取得了有 关的力学参数。在保证各种材料均符合要求的前提 下，选择砂、粘土、石灰、石膏类相似材料配比系 列，然后进行装架。按照所给出的岩层次序自下而 上按分层厚度分层铺料、捣实，在两种岩层交界处 撒少许云母粉以形成层面结构，模拟层面效应；通 过铺料过程中的人为切割使岩层形成弱面，以反映 节理裂隙的影响。 模型制成后， 在室温下自然风干。 本试验中模型顶部不加荷载，为自由表面。然后进 行煤层的开挖与测试。同步进行覆岩与地表位移的 测试。模型中每 1.7 h 推进 2 cm，每模拟开采一次， 对上覆岩层位移进行量测，记录测试结果和模拟过 程中所发生的力学现象；每天进行地表下沉量和地 表水平移动量的观测。模拟煤层的开采顺序按照设 计方案分为 4 个区段，即初期开采 13 －1，11－1； 中期开采 13 －2，8－1，13－3，11－2，11－3，8－2； 后期开采 13 －4，8－3，11－4，8－4。 基于模型试验的目的是模拟采动引起的岩层破 坏和地表移动规律，需要进行测量的范围为从采空 区一直到地表。需要量测的内容为地表下沉量、地 表水平移动量、覆岩位移、垮落高度、离层高度等。 在倾斜模型中，根据急倾斜煤层开采地表移动的特 点，地面下沉和水平位移观测线布置在模型正表面， 测点间距为 6.25 cm，计 49 个测点，采用经纬仪观 测法；5 条竖直岩层观测线，测点间距为 20 cm，计 15 个测点，采用的测试仪表为 YHD-100，200，500 型位移计。使用计算机数据采集与处理系统，硬件 配置有平衡箱、转换器、YJ-17 应变仪、数字式电 压表等；软件有应变采集与处理系统。 5 试验结果及分析 本次模型试验，反映了岩层与地表移动的许多 富有研究价值的特点和规律。下面首先从总体上就 岩层的破坏和移动形式进行分析，然后再分析一些 试验特定条件如厚冲积层、急倾斜煤层开采、重复 采动等条件下地表移动的规律性。 1 垮落带特征 模型开采后的覆岩破坏情况见图 2。 图 2 模型破坏情况 Fig.2 Breakage state of model 急倾斜煤层开采，由于传力机制作用，竖向容 易形成拱型受力结构，顶板不易垮落。试验中，倾 斜模型中开采斜长 36 cm，垂高 31 cm相当于实际 垂高 62 m时，顶板才自行垮落。而类似岩性的缓 倾斜煤层所进行的模拟试验， 悬顶距为 15 cm左右， 远小于急倾斜的悬顶斜距[11 ，13]。 从试验过程中煤层 顶板的破坏和移动过程来看，急倾斜煤层顶板是沿 煤岩层的法线方向垮落充填采空区的，冒落高度约 为煤层采厚的 2～4 倍。 倾斜模型中， 在采空区上方 形成了非对称的冒落拱。因为冒落矸石堆积到采空 区的下部，造成了上部顶板相对悬空，缺少了矸石 堆积的反作用力，冒落顶板会继续运动，在上部形 成了范围较大的冒落带。 2 裂隙带的形成与发展特征描述 在倾斜模型中可以明显地观察到，随开采步距 的加大，采空区上方出现了裂隙，它在采动的影响 下不断加大，上山方向的顶板发生坍塌，裂隙呈弧 状向未采动的下山方向逐渐尖灭。由于煤层的倾角 444 岩石力学与工程学报 2004 年 较大，其上部靠近地表的顶板岩层在自重的作用下 发生了层间滑动且向煤层顶板方向运动。离层裂隙 沿法向自垮落带由下而上发展，在岩层内裂缝宽度 越来越小，裂缝范围越来越窄。这样整个垮落、断 裂带呈现一个喇叭形态，喇叭口处是拉伸变形区， 这种变形方式从机理上解释了急倾斜煤层开采地表 移动的形态。裂隙带的形成又受冒落带的影响，它 在形态上与冒落带相似。急倾斜煤层上山方向的岩 层移动最先波及到地表，随之地表的移动向下山方 向发展。 据观察， 冒裂带高度约为 40.4 m。 根据 “三 下”采煤规程计算导水裂隙带高度为 3 . 72935 . 7/100hMhH 1 式中M 为累计采厚，h 为阶段垂高，M 和 h 的单 位均为 m。 所以第一区段 13煤层开采时的H100 535/7.552937.3 38.8 m。导水裂隙带高度 与累计采厚的比值为 7.76，与现场条件的矿区所测 得裂隙带高度 39.43 m接近[14]。 3 地表移动特征分析 根据模型观测结果的整理与分析，倾斜模型地 表下沉曲线和水平移动曲线分别见图 3 和 4。图中 中期和后期为叠加的结果。 图 3 模型地表下沉曲线 Fig.3 Curves of surface subsidence 图 4 模型水平移动曲线 Fig.4 Curves of horizontal displacement 从动态曲线可以看出，初期开采时移动盆地成 近似半对称分布状态，随着开采的进行，移动盆地 的非对称性越趋明显。下沉曲线向下山方向偏移， 初期、初中期和初中后期的堤坝中线方向的最大下 沉点分别位于 21，22，22 预计点号上。当后期开采 结束时，移动盆地的非对称性也趋向稳定。各工作 面开采所引起的堤坝中线方向的下沉曲线为非对称 的瓢形，各开采时期叠加下沉曲线呈连续渐变基本 对称的碗状。厚冲积层下急倾斜煤层群重复开采， 上山方向的影响范围比下山方向的影响范围小，上 山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线陡，下沉 曲线边缘部分收敛缓慢。初期下沉量和初中期下沉 量与最终下沉量的比率分别为 18.42和 68。最大 下沉值较小，但影响范围较大。 当岩层倾角较大时，基岩移动形式发生变化， 顶板冒落后沿法线充填采空区，基岩与表土层界面 处的水平移动向量均指向煤层上山方向。由于摩擦 力作用，基岩的水平移动带动了松散层，并产生指 向上山方向的水平移动。这种移动在松散层中由下 往上逐渐衰减见图 5。图中基岩水平移动引起的松 散层水平移动曲线与松散层垂直弯曲引起的松散层 水平移动曲线的叠加，得到地表最终水平移动曲线。 图 5 水平移动关系图 Fig.5 Relation of horizontal displacement 由图 5 可以看出在厚冲积层急倾斜煤层重复 采动条件下，地表水平移动曲线呈不对称分布，增 大了指向上山方向的水平移动，减小了指向下山方 向的水平移动。当松散层很厚时，基岩产生的水平 移动在松散层内传递时衰减而达不到地表。 在厚冲积层条件下，指向煤层上山方向的水平 移动增大了，而指向煤层下山方向的水平移动减少 了。在初期、初中期和初中后期阶段，堤坝中线方 向指向煤层下山方向的最小水平移动值为负值， 基 本对应拉伸变形分别位于 16，12，12 预计点号上， 指向下山方向的水平移动值逐渐减小；指向煤层上 山方向的最大水平移动值为正值， 基本对应压缩变 形分别位于 26，27，28 预计点号上，指向上山方 向的水平移动值逐渐增大。初期、初中期和初中后 期阶段两者比值的绝对值分别为 93.8，32.4和 37.9。指向煤层上山方向的水平移动范围是指向 煤层下山方向的水平移动范围的 1.45 倍。 水平移动 第 23 卷 第 3 期 高明中. 急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验 445 最大值约为地表最大下沉量的 50，这反映出厚冲 积层急倾斜煤层群重复开采时地表水平移动的特 性。水平变形为零的点与最大水平移动点基本重合。 从移动变形曲线可见，最终移动盆地剖面基本 成非对称分布状态。模型的移动边界以观测下沉值 零点确定。按边界角的定义，可求出模型顶板边界 角 0 β 和底板边界角 0 λ 。顶板边界角 0 β42 ～46 ， 底板边界角 0 λ46 ～51 。这与条件类似的矿区现 场地面观测站实际观测得的结果基本吻合[14]。 6 试验主要结论 1 模型试验研究表明急倾斜煤层开采时岩 层移动出现了一些不同于缓倾斜煤层的特征。一是 冒落带的形成较晚，这是由于竖向传力机制弱化的 缘故，并且顶板冒落后沿法线充填形成不对称冒落 拱；二是裂隙带的形成与冒落带特征密切相关，形 态上与冒落带相似；三是基岩与表土层界面处出现 了水平移动 “指向同化” ， 产生指向上山方向的水平 移动。岩层的这种变形方式从机理上解释了急倾斜 煤层开采地表移动的形态。 2 从相似材料模拟试验的结果可以看出，重 复采动对岩层和地表的影响主要体现在以下几个方 面一是连续移动变形值增大。在重复采动时下沉 系数增大，其原因是岩层初次采动后，在冒落带和 裂隙带内有许多空隙称为“潜在下沉”，在重复 采动下， “潜在下沉”被重新“活化”而变成实际下 沉，从而加剧了岩层和地表的移动变形。二是由于 冲积层较厚，岩层的水平移动波及地表的衰减作用， 虽然水平变形值也在增加，但变化较小，不会出现 大的断裂或台阶，呈现连续变形特征。三是重复采 动与初次采动相比，边界角约减少 4 。 3 厚冲积层的影响主要体现在以下3个方面 一是自身弯曲变形较大，地表处出现了水平移动的 “指向异化” ；二是界面处的水平移动在厚表土层内 得以弱化；三是重复采动时由于厚冲积层的缓冲作 用，出现连续变形。 4 综合分析试验结果可以看出在新集三矿 的地质和采矿技术条件下由于开采引起堤坝在短时 间内突然坍塌从而导致河堤溃决的可能性是不存在 的。其理由有四一是开采深度大于两倍导水裂隙 带高度，地表发生突发性错台裂缝和掉坑等突然坍 塌的情况是不会发生的；二是实测资料和模型试验 结果均表明，堤坝、堤基地表和上部新地层，均已 经处于弯曲带，故其移动变形是一个缓慢的、平稳 的过程，不会出现在短时间内的堤坝突然坍塌，有 利的地质条件排除了地表和堤坝突然塌陷的成因条 件；三是在最不利的条件下，冒落裂缝带也不会发 育到堤下，堤坝、地表、新地层的移动变形是连续 的，即使有位移差，也将被约 140 m厚的表土层所 吸收，不会形成空洞而导致地表及堤坝出现突然坍 塌；四是新集三矿堤下煤柱煤层倾角属于急倾斜煤 层的下限， 且煤层顶板一般为中硬～软， 易于冒落； 而防水煤柱有较大的安全系数。只要严格管理，采 取适当的安全技术措施，防止水砂溃入井下，就可 以避免地表突然塌陷。 参 考 文 献 1 何国清，杨 伦，凌赓娣等. 矿井开采沉陷学[M]. 徐州中国矿 业大学出版社，1991 2 王金庄，邢安任，伍立新等. 矿山开采沉陷及其损害防治[M]. 北 京煤炭工业出版社，1995 3 邓喀中. 开采沉陷中的岩体结构效应[M]. 徐州中国矿业大学出 版社，1998 4 于广明，杨 伦，苏仲杰等. 地层沉陷非线性原理、监测与控制[M]. 长春吉林大学出版社，2000 5 白义如，谷志孟，白世伟. 程潮铁矿东区地下采矿引起地表沉降和 岩层移动初探[J]. 岩石力学与工程学报，2002，213340～342 6 郑榕明，陈文胜，葛修润. 金山店铁矿地下开采引起地表变形规律 的离散元模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2002， 218 1 130～ 1 135 7 常占强， 王金庄. 关于地表点下沉时间的函数改进的克诺特时 间函数[J]. 岩石力学与工程学报，2003，2291 494～1 497 8 王金庄，康建荣，常占强. 地表下沉盆地偏态形成的机理分析[J]. 煤炭学报，1999，243252～255 9 谢和平，周宏伟，王金安等. 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