马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟.pdf

摇 第 36 卷第 1 期煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报Vol. 36摇 No. 1摇 摇 2011 年1 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan. 摇2011摇 摇 摇 文章编号0253-9993201101-0007-05 马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟 刘 纯 贵1,2 1郾 中国矿业大学北京 资源与安全工程学院,北京摇 100083;2郾 华润煤业控股有限公司,香港 摘摇 要为了搞清“两硬冶浅埋煤层开采覆岩活动规律,以大同煤业集团马脊梁煤矿为原型,在实验 室进行了相似模拟实验,发现“两硬冶浅埋煤层刀柱开采发生的大面积来压其实是多米诺效应引起 的覆岩大面积切冒,垮落从直接顶开始,逐步扩展至松散层。 地表下沉最大处出现在地表沉陷区的 中部,上覆岩层的运移以垂直位移为主,呈倒梯形整体下沉。 关键词马脊梁煤矿;浅埋煤层;覆岩活动规律;两硬 中图分类号TD325郾 4摇 摇 摇 文献标志码A 收稿日期2010-06-03摇 摇 责任编辑柴海涛 摇 摇 基金项目国家自然科学基金资助项目50704024;山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划资助 摇 摇 作者简介刘纯贵1964,男,山东莱阳人,博士研究生,教授级高级工程师。 Tel0852-25937530,E-mailliuchungui crp郾 net郾 cn Similar simulation study on the movement behavior of overlying strata in shallow seam mining in Majiliang Coal Mine LIU Chun鄄gui1,2 1郾 School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and TechnologyBeijing,Beijing摇 100083,China;2郾 China Resources Coal Hold鄄 ings Co. ,Ltd. ,Hong Kong,China AbstractIn allusion to reveal movement law of overlying strata from mining shallow seam under“two hard冶condition, took Majiliang Coal Mine as simuliton entity. The results show that “Domino冶 effect causes roof failure due to weigh鄄 ting over great extent in pillar mining shallow seam in mining face under“two hard冶condition through the simulation experiment,that is to say,overlying strata caving in large area is from direct roof to loose layer. The maximum value of ground subsidence is in the middle of subsidence area,movement of overlying strata is mostly vertical displacement and integral sank inverted ladder. Key wordsMajiliang Coal Mine;shallow seam;movement behavior of mined overlying strata;two hard 摇 摇 马脊梁煤矿现开采侏罗纪煤系 2 号层,402 盘区 距地面垂深 55郾 8 106郾 0 m,煤层厚度 6郾 0 6郾 7 m, 直接顶为 3郾 0 4郾 5 m 的坚硬砂岩及局部含砾粗砂 岩,基本顶为 50 m 以上的黄色粗砂岩。 采用长壁刀 柱式采煤方法,用刀间煤柱控制顶板,一次采全厚。 工作面长为 60 75 m,每采 25 m 留一条宽为 5 m 与 工作面平行的煤柱支撑坚硬难冒顶板。 相邻工作面 间留10 m 的保护煤柱。 采场顶板属于典型的坚硬或 极坚硬的岩体。 坚硬难冒顶板分层厚度大,整体性 强,但是构成顶板岩体的岩石并不是完全的整 体[1-2]。 在岩体中存在许多结构面和充填物,使岩体 呈现出一种非均质的具各向异性的不连续体[3-4]。 随着采空区面积的增大和时间的推移,地面出现 了 7 000 m2的椭圆形陷坑,深度 0郾 7 m。 在陷坑周围 密布大裂隙,最大宽度 3郾 6 m,深度 13 m 以上。 且在 开采过程中常常出现顶板切冒、大面积来压,在较短 时间内一次冒落面积大;冒落形状呈反漏斗状,冒落 角 65 85毅,地表呈圆形、椭圆形的沉陷,其面积小于 开采面积,沉陷深度 0郾 5 1郾 0 m,个别达 3 4 m;冒 落后地表出现纵横交错的张开裂缝,裂缝宽度 0郾 1 0郾 5 m,深不见底,裂缝位置均在采空区平面范围内 侧,或在采空区正上方,或是在沉陷区的边缘[5]。 这 些情况给生产带来诸多麻烦及不安全隐患,给环境带 来较大的负面效应,为了安全生产、保护环境,必须搞 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2011 年第 36 卷 清楚马脊梁煤矿开采覆岩活动规律,本文通过相似模 拟研究该矿浅埋煤层开采覆岩活动规律。 1摇 模拟方案 为搞清从坚硬顶板到地表塌陷的破坏发展过程 及垮落形式,从两个方面进行物理模拟第一,沿工作 面推进方向在工作面的中部做一个剖面,研究5 m 煤 柱的破坏对坚硬顶板破坏及地表塌陷的影响;第二, 垂直工作面推进方向做一个剖面不经过与工作面 平行的煤柱,研究工作面 10 m 煤柱对坚硬顶板破 坏及地表塌陷的影响。 根据马脊梁煤矿的煤层赋存条件,实验采用的实 际数 据 如 下 煤 层 埋 深 70郾 90 m, 冲 击 层 厚 度 10郾 00 m,粉砂岩、细砂岩厚度 10郾 80 m,灰白色粗砂 岩厚度40 m,坚硬砂岩及局部含粗砂岩厚度 3郾 75 m, 煤层厚度 6郾 35 m,粉砂岩厚度 4郾 21 m,中砂岩厚度 4郾 69 m。 马脊梁煤矿顶底板地质柱状图如图 1 所示, 各岩层的物理力学参数见表 1。 图 1摇 马脊梁煤矿顶底板地质柱状图 Fig郾 1摇 Geology columnar section diagram in Majiliang Coal Mine 表 1摇 马脊梁煤矿各岩层的物理力学参数 Table 1摇 Physical and mechanical parameters of rock in Majiliang Coal Mine 顶板 名称 厚度/ m 单轴抗压 强度/ MPa 自然密度/ gcm-3 岩性 松散层10郾 000郾 701郾 80冲积、洪积、风积层 基本顶覆岩 10郾 8034郾 902郾 30黏土矿物胶结岩石 基本顶40郾 00106郾 652郾 47灰白色粗砂岩 直接顶3郾 7555郾 552郾 35砂砾岩 煤层6郾 3530郾 001郾 41 直接底4郾 2152郾 942郾 34 深灰色细砂岩、 砂质泥岩互层 基本底4郾 69119郾 632郾 66中砂岩 摇 摇 模拟实验中,对矿体的节理裂隙等弱面采用以下 两种办法加以考虑 1 铺设模型时,每隔 3 5 cm 的厚度撒上云母 粉进行隔离,造成模型弱面; 2 根据工程地质调查,按 70 的折减系数折 减矿岩强度。 根据实验模拟的开采范围和模型实验 台尺寸,选取模型几何相似常数 ai100,容重相似常 数 a酌1郾 5,由此可以得到应力相似常数 a滓 aia酌 150;弹性模量相似常数 aEa滓150;黏结力相似常 数 aca滓150。 试验模拟各岩层的相似材料力学参 数见表 2。 表 2摇 试验模拟各岩层相似材料的力学参数 Table 2摇 Mechanics parameters of rock in experiment 参数抗压强度/ MPa容重/ kNm-3厚度/ m 松散层0郾 00512郾 010郾 00 基本顶覆岩0郾 2315郾 310郾 80 基本顶0郾 7116郾 540郾 00 直接顶0郾 3715郾 73郾 75 煤层0郾 209郾 46郾 35 直接底0郾 3515郾 64郾 21 基本底0郾 8017郾 74郾 69 2摇 实验材料与设备 根据煤层的赋存条件,以及采区的布置情况,本 实验走向模型采用中国矿业大学北京的二维实验 台,实验台的尺寸为长伊宽伊高4 200 mm伊250 mm伊 2 000 mm,如图 2 所示。 各煤岩层的材料配比见表 3。 为了研究采空区的上覆岩层的移动规律,分别在 试验的走向倾向模型中布置了位移控制点[5-7],如图 3 所示。 位移观测采用经纬仪观测,并设数码照相机 一架。 本次实验铺设总厚度为 709 mm,在铺设过程 中,严格按照各煤岩层的实际尺寸折算后的结果来施 工。 每次铺设厚度为 1郾 5 cm,尽量保障平稳均匀,各 层水平铺设,每层之间加云母粉使模型层理分明。 图 4 为马脊梁煤矿采空区倾向模型示意图。 图 2摇 EMW 二维模拟试验台 Fig郾 2摇EMW 2D simulation test鄄bed 8 第 1 期刘纯贵马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟 表 3摇 各岩层相似材料配比参数 Table 3摇 Similar ratio parameters of rock 岩摇 性总厚/ cm累积/ cm层厚/ cm配比号总重/ kg砂/ kg灰/ kg膏/ kg水/ kg 基本底8郾 008郾 002伊46 颐 4 颐 633郾 6028郾 801郾 922郾 882郾 4 煤6郾 3514郾 352郾 12伊37 颐 3 颐 738郾 1233郾 401郾 433郾 342郾 7 直接顶3郾 7518郾 101郾 875伊28 颐 5 颐 532郾 9029郾 241郾 831郾 832郾 3 基本顶40郾 0058郾 102伊207 颐 5 颐 532郾 5528郾 502郾 032郾 032郾 3 基本顶覆岩10郾 8068郾 902郾 16伊510 颐 1 颐 035郾 2032郾 003郾 202郾 5 松散层10郾 0078郾 902伊513 颐 1 颐 032郾 5030郾 232郾 322郾 3 图 3摇 采空区倾向模型测点布置模拟 10 m 宽煤柱 Fig郾 3摇 Measuring point schematic diagram in dip direction 图 4摇 马脊梁煤矿采空区倾向模型模拟 10 m 宽煤柱 Fig郾 4摇 Dip model in Majiliang Coal Mine 3摇 实验结果分析 3郾 1摇 采空区上覆岩层破断规律 在马脊梁煤矿垂直于工作面推进方向煤层倾 向采用长壁刀柱式采煤方法,采区工作面之间的巷 道保护煤柱10 m,工作面宽度为65 m,按照采区工作 面布置,将倾向模型开挖,在工作面内的直接顶沿两 边界煤柱发生梯形垮落,基本顶及上覆岩层没有发生 破坏图 5。 随着直接顶的垮落,各煤柱的支撑力增 大,中间的 1 号煤柱发生剥落式破坏,逐渐变窄,当 1 号煤柱厚度变成5 6 m 时,上覆岩层突然初次垮落, 1 号煤柱发生粉碎性压垮,上覆岩层从 3 号煤柱的边 缘、1 号煤柱的剩余处发生破断,破断处发生剪断式 破坏,其间直接顶及基本顶的中部、下部层位垮落。 图 5摇 沿倾向的上覆岩层垮落 Fig郾 5摇 Overlying strata collapsing along the dip 从图 6 可以看出,在相邻两个煤柱间的顶板形 成结构,而 1 号煤柱以上的上部岩层呈倒梯形发生整 体下沉,几乎没有发生任何破坏,在 1 号煤柱和 3 号 煤柱与 1 号煤柱和 2 号煤柱的两部分上部岩层分别 形成结构,下部垮落,在 2 号煤柱和 3 号煤柱侧形成 搭桥结构,在 1 号煤柱两侧发生垮落,向上发生破断 的顶板区域逐渐减小,裂缝发展至地表。 图 6摇 1 号煤柱破坏后的上覆岩层垮落 Fig郾 6摇 Overlying strata collapsing after No郾 1 coal pillar damaged 1 号煤柱垮落后,2 号和 3 号煤柱发生剥落式破 坏,当两煤柱剩至 5 m 左右宽度时,上覆岩层的垮落 范围向两侧发展,左右两侧的垮落角均大于 70毅,煤 柱的上覆岩层也呈倒梯形整体下沉,在垮落边缘处同 样形成搭桥结构。 2、3 号煤柱的垮落使两边的4、5 号 煤柱都承载悬挂部分的上覆岩层,4、5 号煤柱发生渐 破,当 4、5 号煤柱剩余 5 m 时,在 5 号煤柱侧的直接 顶垮落,其上部岩层左侧发生不连续的拉破断,右侧 与原垮落部分形成铰接结构;在 4 号煤柱侧的基本顶 上层位及基本顶上覆岩层的下部发生垮落,并发生剪 切滑移。 随着时间的推移,4、5 号煤柱剩余部分突然 9 煤摇 摇 炭摇 摇 学摇 摇 报 2011 年第 36 卷 失稳,上覆岩层再次失稳,向左扩散到 7 号煤柱附近, 第二次发生拉破断的部分发生剪切滑移,在 7 号煤柱 的直接顶及基本顶下位层发生拉破坏,并形成铰接结 构;右侧扩散至 6 号煤柱,直接顶及基本顶下位层发 生剪切滑移,其上部层位岩层沿剪切处发生不连续拉 破坏。 地表发生沉陷的范围增大,在沉陷地表的最左 端有拉裂缝产生,地表裂缝宽 2 m 左右,裂缝发展至 地下15 m 左右,沉陷区的最右端地表发生折断,具体 如图 7 所示。 图 7摇 2、3 号煤柱垮落后上覆岩层破断 Fig郾 7摇 Overlying strata collapsing after No郾 2 and No郾 3 coal pillar damaged 所以,马脊梁煤矿顶板冒落过程可以简化为图 8 的过程。 3郾 2摇 上覆岩层的移动规律 实验中的上覆岩层位移是用经纬仪测量[8-10]。 从图 9 中可以看出,水平位移 80 的值分布在 0 0郾 005 m 之间,水平位移最大值为0郾 025 m;而垂直位 移在 4 m 以上的在 90, 垂直位移最大值达到 6郾 2 m。 所以在工作面倾斜方向上覆岩层的运动仍 以垂直位移为主。 图 9b中有下沉曲线,从上到下垂直位移依次 减小,依次是直接顶、基本顶下部、基本顶上部、松散 层。 另外,这 4 条下沉曲线有 3 个共同的交汇点,对 图 8摇 马脊梁煤矿顶板冒落过程 Fig郾 8摇 Roof collapses process in Majiliang Coal Mine 图 9摇 倾向位移变化 Fig郾 9摇 The displacement along the dip 应的横坐标为-75,0 和75。 对照倾向模型,发现这 3 个点均在 1、2 、3 号煤柱上面,说明在煤柱的上面, 各个岩层没有发生离层,而在煤柱之间,各条折线并 没有交点,说明各层之间有离层,在基本顶上部和松 散层中几乎没有离层,基本顶上部和基本顶下部与基 本顶下部和直接顶之间发生了离层,离层高度在 1郾 5 m左右。 走向实验和倾向实验位移图反映出的 规律总结如下 1在煤层上部岩层垮落的过程中,上部岩层发 生位移,垂直位移比水平位移要大。 2在煤层的上覆岩层中,无论是沿煤层倾向还 是走向,松散层随基本顶上部岩层发生弯曲下沉,没 有离层;基本顶下部岩层与直接顶之间发生了离层, 一般情况下离层都不大,只有在垮落后在断裂边缘附 近基本顶下部形成搭桥结构时,形成的离层较大。 这 01 第 1 期刘纯贵马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟 与数值模拟研究结果[11]相吻合。 4摇 结摇 摇 论 1马脊梁煤矿 2 号煤层 402 盘区的相似材料 模拟试验表明,刀间煤柱开采后,随着时间的推移和 直接顶的垮落,留设煤柱的支承压力增大,从中间的 1 号煤柱开始发生片帮剥落,该煤柱的失稳破坏又诱 发了其相邻煤柱的片帮剥落,形成煤柱破坏的多米诺 效应,导致大面积切冒的发生。 此乃马脊梁煤矿大面 积大面积来压的机理。 2上覆岩层的垮落从直接顶开始,逐步扩展至 松散层;沿倾向方向的垮落角大于 70毅,上覆岩层呈 倒梯形整体下沉。 3地表下沉最大处出现在地表沉陷区的中部, 上覆岩层的运移以垂直位移为主,这与一般条件下的 沉陷规律[12-15]相一致。 参考文献 [1]摇 成根明. 矿井特殊开采方法[M]. 太原山西高校联合出版社, 1994. 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