大埋深条件下地表沉陷规律相似模拟研究.pdf
刘文静 1, 屈晓荣2, 杨 栋 1, 朱少杰1 (1.太原理工大学 采矿工艺研究所, 山西太原0 30 0 24; 2.山西省煤炭地质勘查研究院, 山西太原0 30 0 0 6 ) 摘要 以山西河东煤田北部某大埋深煤矿为研究对象, 采用相似材料模拟实验, 分析了受采动影响的采场上覆岩层 移动变形规律以及地表移动变形规律�结果表明, 采动结束后的上覆岩层依次形成垮落带� 裂隙带� 弯沉带; 采空区上方地 表形成一个比采空区大得多的下沉盆地,并从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要出发,地表移动及变形采用下 沉� 水平移动� 倾斜� 曲率� 水平变形来描述下沉盆地的动力学状态� 关键词 深部开采; 相似模拟; 上覆岩层移动; 地表移动与变形 中图分类号 T D 3 25.4文献标识码 � 大 埋 深 条 件 下 地 表 沉 陷 规 律 相 似 模 拟 研 究 收稿日期 20 1 1 -1 1 -20 作者简介 刘文静 (1 984� ) , 男, 陕西神木人, 在读硕士研究生, 从事 “三下“ 开采� 开采沉陷等研究� 由于深部开采地质条件复杂, 使得采场围岩环境 恶化� 事故发生几率增加� 上覆岩层及地表移动与变 形, 都会带来很大威胁� 深部开采条件下, 岩石处于高 围压� 高温度� 高孔隙压力的 “三高“ 环境, 与浅部开采 相比, 随着开采深度的增加, 地应力� 构造应力急剧增 加,深部开采工程的灾害形式和频度并不同于浅部� 因此, 研究其上覆岩层及地表活动规律, 显得尤为重 要�相似材料模拟试验, 能够模拟整个研究区域的上 覆岩层及地表在开采过程中受采动影响, 以及后续地 表稳定的整个变形过程� �工程概况 根据河东煤田某深部开采的地质背景和目前技 术水平, 选择某工作面为模拟对象, 煤层倾角 6�� 8�, 属于近水平煤层, 平均采深 71 8 m, 煤层均厚 7.2 m, 工作面走向长 2 1 20m, 倾向长 230m, 实行大采高 一次采全高综合机械化采煤, 顶板管理采用全部垮落 法, 工作面推进速度 4.8m/ d � �模型制作与试验分析 � � �模型设计与制作 本次试验是在相似理论基础上[1], 总结前人经验, 依据实际地质资料, 选择合理地段进行模拟, 模型试 验台尺寸长�宽�高 4.25 m�0 .2m�3 .5 m, 模拟采 深 71 8m�因此选择几何相似常数 � � 30 0 ; 根据岩石 岩性及以往经验, 选择容重相似常数 �� 1 .5, 由此推 出应力相似常数 �� ����� 450 ,时间相似常数为 �� ��� 1 7.4�根据原型岩层的力学性质, 依据阜新院 所作的试验结果,主要考虑模型材料容重�抗压强 度� 弹性模量� 泊松比等物理力学指标, 选择合适的 相似材料的配方及配比�本试验选取河沙� 铁砂做骨 料, 石灰� 碳酸钙� 高岭土, 石膏做胶结材料�由于石 膏凝结硬化快, 试验选取硼砂做缓凝剂; 选取云母粉 模拟各岩层分层及构造层� 本次试验制作模型高度 240cm,煤层上方高度 220cm, 底板厚度 20cm, 煤层厚 2.4 cm; 根据现场采 煤每日 4.8 m� 以及几何相似比� 时间相似比得出次 本试验中每日开挖 28cm 分四次开挖,开挖总长度 2.25 m, 开挖区域位于模型正中央, 使开采既能达到 充分开采, 又能在两侧留设足够宽的煤柱, 以使地表 移动与变形曲线完整地呈现出来�本次试验主要监 测上覆岩层和地表位移及变形,所以在地表布设 37 块百分表监测地表垂直位移, 1 8 块水平表监测地表 水平位移� � �� 试验分析 � �� � � 覆岩的破坏机理及分带特征 深部开采覆岩垮落的一些新特征, 见图 1 �初次 垮落步距较长, 当工作面推进距离 � 72m 时, 直接顶 文章编号 1 672-50 50 (20 1 2 ) 0 2-0 0 4 1-0 4 41 图 1模 � 93 m 型岩体垮落情况 1-a� 93 m1 -b� 93m 1 -c� 31 1m1 -d � 423m 1 -e� 528m1 -f� 528m 图 3地表倾斜曲线 图 2地表下沉曲线 出现离层裂隙�当 � 93 m 时, 直接顶垮落, 垮落长度 89m, 垮落高度 9 m, 空顶高度 7 m, 垮落角 50 ��当 � 1 58 m 时, 发生第二次老顶垮落, 垮落长度 1 49 m, 垮落步距 50m, 垮落高度 24 m, 空顶高度 6.5m, 垮落 角 52�� 当 � 21 3 m 时, 发生第三次悬臂梁垮落, 垮落 长度 20 6 m, 垮落步距 57 m�此后随着工作面的推进, 上覆岩层继续垮落�由此看出, 深部开采的初次垮落 步距和周期垮落步距都增大, 垮落高度增加, 垮落角 增大, 采动影响范围有所扩大[2]�垮落过程见图 1 � 采动结束后, 垮落停止, 移动稳定后的岩层, 按 其破坏程度大致分为三个不同的开采影响带冒落 带� 裂隙带� 弯曲带� 冒落带高度 30m, 为采高的 4.1 7 倍; 裂隙带高度 279 m, 为采高的 38.75 倍; 自裂隙带 顶界到地表的整个岩系为弯曲带,由此看出深部开 采上覆岩层受采动影响范围较浅部开采扩大� � � � � � 采动对地表移动及变形规律 从地表移动的力学过程及工程技术问题的需要 出发,地表移动的状态可用垂直移动和水平移动描 述�常用的定量指标有 下沉� 水平移动� 倾斜� 曲率� 水平变形等[3]� (1) 采动地表下沉变形规律 依据地表百分表测 得各监测点下沉值做得下沉曲线, 见图 2, 由图可知 �采动过程中地表下沉的变化规律随着工作面的 推进, 地表移动盆地的范围和移动量均增加�当工作 面推进到某位置时, 地表下沉值达到最大值, 地表达 到充分采动�当工作面再往前推进时, 地表移动盆地 增大, 但地表下沉量不再增大��下沉曲线的分布规 律 地表下沉最大值出现在采空区中央上方, 从下沉 最大值处向采空区两侧边缘各点的下沉值逐渐减 小, 下沉曲线关于采空区中心近似对称� (2 ) 采动对地表倾斜变形规律 倾斜曲线表示地 表移动盆地倾斜的变化规律, 是下沉的一阶导数�见 图 3 采动地表倾斜曲线, 图可知 拐点至盆地边界倾 斜值逐渐减小,最大下沉点至拐点间的倾斜逐渐增 大, 在拐点处倾斜值最大, 而在最大下沉值点处倾斜 值为零, 并在两个拐点处有两个相反的最大倾斜值, 倾斜曲线以采空区中央反对称� (3) 采动对地表曲率变形规律 图 4 是地表曲率 变形曲线, 它是倾斜的一阶导数�由图可知曲率的分 布规律 盆地边缘地带为正曲率区, 盆地中央地带为 负曲率区,曲率曲线有两个相等的最大正曲率和一 个最大的负曲率�最大正曲率处在拐点和盆地边界 点之间, 最大负曲率在盆地中央的最大下沉点处, 边 界点和拐点的曲率为零� 42 参考文献 [ 1 ]崔广心.相似理论与模型试验[ M ] .江苏 中国矿业大学出版社, 1 990 1 -60 . [ 2]范体军, 胡清淮.东乡铜矿采空区上覆岩层的稳定性分析[ J ] .化工矿物与加工, 20 0 0 6 7-24. [ 3]邹友峰, 邓喀中, 马伟民.矿山开采沉陷工程[ M ] .徐州 中国矿业大学出版社, 20 0 3. [ 4]刘秀英.采空区建筑地基稳定性分析的相似模拟试验研究[ D ].太原 太原理工大学, 20 0 4. [ 5]国家煤炭工业局.建筑物� 水体� 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[ S] .北京煤炭工业出版社, 20 0 0 . 图 4地表曲率变形曲线 图5地表水平移动曲线 图 6地表水平变形曲线 (4) 采动地表水平移动规律 图 5 为采动地表水 平移动曲线, 水平移动分布规律与倾斜曲线类似, 拐 点至盆地边界间水平移动逐渐减小,最大下沉点至 拐点间水平移动逐渐减小,两个拐点处有两个相反 的水平移动最大值,最大下沉点处水平移动最小为 零, 水平移动曲线以采空区中央反对称� (5 ) 采动地表水平变形规律 图 6 为采动地表水 平变形曲线,水平变形曲线与曲率曲线的分布规律 类似,有一个最大压缩变形和两个相等的最大拉伸 变形, 最大压缩变形位于盆地中央的最大下沉点处, 最大拉伸变形位于拐点和边界点之间,边界点拐点 处水平变形为零, 盆地中部地带为压缩区, 盆地边缘 区为拉伸区� �结论 本文以河东煤田某深部开采为例,通过研究受 采动影响的地表移动及变形规律的相似材料模拟实 验, 主要结论如下(1) 随着工作面推进, 采空区周围 的岩层发生了较大的移动变形�一般的移动过程是 从煤层的直接顶板岩层开始,由下而上依次进行冒 落� 断裂� 离层� 弯曲, 最后移动终止�冒落带高度为 30m (为采高的 4.1 7 倍 ) , 裂隙带高度 279 m (为采高 的 38.75 倍) ,自裂隙带顶界到地表的整个岩系为弯 曲带�由此看出, 深部开采上覆岩层受采动影响范围 较浅部开采扩大[ 4 ]� (2 ) 根据地表移动及变形曲线分 析, 可按其激烈程度分为三个区域 下沉均匀区��� 盆地中心平坦地带, 该区地表下沉均匀, 一般不出现 裂缝, 对建筑物的破坏作用较小�移动剧烈区���位 于外侧上方, 地表下沉不均匀, 产生倾斜变形, 出现 明显裂缝,对建筑物的破坏作用较大 [5]�轻微变性 区���位于采空区外侧上方较远处,地表下沉不均 匀但较小, 呈凸形, 产生拉伸变形, 有轻微的裂缝产 生� (下转第 54 页 ) 34 A � � � � � �S� �� � � � � � �S� � � �� �S� � � � � � S� � � � � � � � �R� � � � � � � � �� � D� � �M � � � � �C� � � � � � � � LI U�� � - � � � � 1,QU � � � � - � � � � 2, � A NG D� � �1, � HU S� � � -� � � 1 1 .M i n i n gT ech n � l � g � I n� �i � � � e,T ai � � anU n i � e� � i � � � fT ech n � l � g � ,T ai � � anSh an � i0 30 0 24; 2.Sh an � iC� alGe� l � g � S� � � e� � Re� ea� chI n � � i � � � e, T ai � � anShan � i0 30 0 0 6 A � � � � � � � A d ee�mi ne � fHed � n gf i el di nS h an � i� a� � � � di ed . S i mi l a� ma� e� i al � � e� e � � edi n� i m� l a� i � n e� � e� i men � . T h e m� � emen � an dd ef � � ma�i � n� f� � e� b � � d en � �� a� a and� � � f ace � e� e anal � � ed� n d e� � h e mi n i n g i n f l � en ce. T h e � e� � l � �� h � � ed �ha� af � e�mi n i n g ,i n � h e � � e� b � � d en � � � a� a,c� l l a� � i ng� � � a� , c� ack � � � a�and d ef l ec� i � n � �� a�� e� e f � � medi n� � � n . A � i nk i n gb a� i na� � ea� edi n� h e � � � f ace � � e� �he mi ned-� � � a� ea. F � � m � h e mechan i cal� � � ce� �� f � � � f ace m� � emen � an d eng i n ee� i n g� ech n � l � g �� e� � i � emen� ,� h e d � n ami c�� � a� e � f � h e � i n k i n gb a� i n� a�d e� c� i b ed � i � h � � b � i d en ce, h � � i � � n � alm� � emen�, i ncl i n a�i � n ,c� � � a�� � e an d h � � i � � n� al d ef � � ma� i � n . K� � � � � � � dee�mi n i n g ;an al � g �� i m� l a�i � n ;� � e� b � � d en � � � a� a m� � emen�;� � � f ace m� � emen �and d ef � � ma� i � n 编辑 刘新光 参考文献 [ 1 ]赵阳升.矿山岩石流体力学[ M ] .北京 煤炭工业出版社.1 994 52-67. [ 2]周世宁, 林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[ M ] .北京科学出版社, 20 0 7. 应力的增大, 渗透率逐渐减小; 当煤样所受的体积应 力一定时,煤样渗透率呈现出随渗透压力的增大逐 渐减小的规律, 刚好印证了 Kl i nk enb e� g效应� (3) 对 煤样注入甲烷气体使其对甲烷的吸附达到饱和以 后, 同等试验条件下煤体渗透率增大� 编辑 徐树文 O �C� � � P� � �� � � � � � � �� �G� � T� � � � � � HA NG P � � � ,� U E G� � � � - � �,LI A NG �� � - � � � M i n i n gT ech n � l � g � I n � � i � � � e,T ai � � anU n i � e� � i �� � fT ech n� l � g � ,T ai � � anSh an � i0 3 0 0 24 A � � � � � � � Pe� meab i l i � �� a�e � fc� ali � ani m� � � � an� � a� ame� e� � ef l ec�i n g� h e � e� meab i l i � � � fg a� an d� a� e� i nc� alandi � de� e� mi ne� � i el d� � l � me an d� el � ci ��� fg a� e� . Be� i d e� � he i nf l � en ce f � � m � el f -f i � � � � e deg � ee,�he c� al� e� meabi l i � � i � al � � af f ec� edb �� � h e� e� � e� i � � f ac� � i ncl � d i n gef f ec� i � e � � � e� � ,Kl i n g en be� gEf f ec� ,an dma- � � i � � h� i n k i n gef f ec� . Sel f -f i � � � � e � � � � em � l a� � a k e� � � l e. T ak i nga� a � am� l e � h e � eam � h � � � g h� h i chS � ng b � l - i n g E� � � e� �T � n n el� a� � e� , Li n j i Sh an � i ,� h e a� �i cl e � � � d i e�� h e ch an g i n g � eg � l a� i � �� f � e� meab i l i � � , � � l � me � � � e� � and� � m� � i c � � e� � � � e i n� � d e� � � � � � � i d e f i el dg � i dan ce f � � � � n neld i g g i n ga� � el la� g a� an d� en � i l a� i � n m� n i � � � i n g . T h e � � � d � can� f f e� � h e� � e� i c � ef e� en ce f � � me� h an e � el ea� e b �ca� b � nd i � � i d e i n j ec� i � n . K� �� � � � � g a� � � n n el ; � e� meab i l i � � ; � � l � me � �� e� � ; � � m� � i c � � e� � � � e (上接第 43 页 ) 54