特厚煤层综放开采覆岩运移规律的相似材料试验研究

赵德深,陈 枫,王忠昶

(大连大学辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室,辽宁大连 116622)

特厚煤层综放开采覆岩运移规律的相似材料试验研究

赵德深,陈 枫,王忠昶

(大连大学辽宁省高校复杂结构体系灾害预测与防治重点实验室,辽宁大连 116622)

为研究特厚煤层开采上覆岩层垮落特征及覆岩运动规律,以铁煤集团大平煤矿某工作面特厚煤层为原型,运用室内相似材料模拟技术,对煤层开采过程中上覆岩层的周期来压、垮落步距、岩层位移、破坏规律进行模拟和观测研究。结果表明,随着工作面的推进,岩层裂隙自下而上不断发展,初次垮落步距为69m,老顶垮落步距为23m和周期垮落步距为46-52m。覆岩离层存在于采空区正上方的0.7H范围内,最大值位置随高度的增加而在水平方向上远离开切眼位置。本模拟实验结果为特厚煤层综采技术的应用和推广提供了理论依据。

特厚煤层;相似材料模拟;垮落步距;离层

我国煤层赋存地质条件复杂,目前国内外研究开采覆岩运移规律及破坏手段有三种:室内相似材料模拟、现场实测和计算机数值模拟[1]。相似材料实验可以人为地控制模拟实体的主要因素,略去次要因素又能对实际岩体破坏无法测量的现象进行测试,同时实验研究周期短,节省人力、物力、财力[2]。本实验以铁煤集团大平煤矿某工作面特厚煤层为原型,根据现场实际地质条件,采用实验室相似材料模拟煤层开采工程中的上覆岩层的周期来压、垮落步距、岩层沉降等破坏规律,以期为特厚煤层安全开采提供科学依据。

1 相似模拟实验设计

1.1 实验地质条件

铁煤集团大平煤矿某工作面首采工作面倾斜长度为231m,走向为1546m,煤层厚度为17. 59m,煤层由下向上依次为4m厚垂直节理发育煤层、6m厚倾斜节理发育煤层、5m厚层理发育煤层、2m厚破裂煤层和不到1m的破碎煤层,因受火山岩侵入影响,上部为1-4m的硅化变质煤层。底板多为砂质高岭质炭质泥岩、泥岩和高岭岩,含少量粉砂岩和细砂岩。直接顶主要为高岭质泥岩、炭质泥岩、泥岩和砂质泥岩等,直接顶厚度一般为2-8m。老顶岩性则均为厚层状中硬以上粗粒石英砂岩和砂砾岩,厚度20m左右。

根据相似理论[3-8],相似材料模拟实验应满足几何相似、运功相似、边界相似、对应物理量成比例[5]的要求。模拟实验选用的相似比见表1。根据塔山矿区的地质条件和实验台的尺寸,采用2m×1.5m的平面实验台,模型高1. 5m,长2.0 m,宽0.3m。相似材料以石英砂、河沙做骨料,以石膏、石灰做胶结材料,以云母做分层材料。煤层开采高度345m,采用走向长壁顶板全部垮落法开采。

相似比a1 ay ac aN af aσ值1 230 1.6 1 1 1.95×107 1 1.95×107 1 1.95×107 1 3.68×102

表1 各种相似比例

1.2 材料配比

根据现场煤层顶板岩层钻孔柱状图及岩层力学参数,选取细河沙、石膏和石灰配制不同比例的相似材料,每组6块,自然干燥7d,进行抗压、抗拉实验。各岩层岩石力学性质和相似材料的配比如表2所示。

表2 各岩层岩石力学性质和相似材料的配比

1.3 测点布置

在模型上设置了竖向观测线和地表与岩层内部沿层面方向的观测线。模型共设27条竖向观测线和8条水平观测线共216个测点,如图1所示。

图1 测点布置图

2 结果分析

2.1 上覆岩层运动的特点

相似模型的有效试验长度为460m,模拟开挖时,在模拟模型两端各留50cm,即115m煤柱,开切眼首先从边界50cm处开始,采高为4m,每刀向前推进23m,放顶煤厚度为13.59m。

图2为当工作面采动过程中煤层顶板垮落和导水裂隙带的实验结果。由图2中可以看出:

1)随着工作面的推进,采空区顶板悬空面积越来越大,在自重及上覆岩层压力的作用下顶板发生下沉、断裂、冒落,在采场区域的岩层最先开始运动,岩体裂隙自下而上逐步向上发展,采空区顶板随时间的延长发生离层。

2)由于煤层厚度大,煤体采出后不能很快波及至上覆岩层,当工作面推进90m时直接顶开始垮落,垮落长度为69m,工作面推进到103m时,3.8m厚的细砂层初次垮落,垮落角约为59°,垮落步距为23m。当推进230m时老顶第一次全部垮落,此后随着工作面的继续推进,上覆岩层出现下沉、弯曲和垮落,垮落步距继而发生周期性变化,周期垮落步距为46-52m。每当出现一次周期性垮落时,覆岩的破坏与移动范围都随之向上向前扩大一定距离,上部老顶呈现出"稳定-失稳-再稳定-再失稳"的周期性过程,平衡拱随之向前扩大一步。

3)顶板的冒落特征是:顶板在层理处发生离层,断裂位置一般沿所切裂隙发生拉断裂破坏,导水裂隙带发育高度约为55m,裂隙扩展角为59°-66°,开采后老顶的最终下沉量为10. 2m,为采高的57.8%。

图2 工作面推进时煤层顶板垮落和导水裂隙带示意图

2.2 上覆岩层运移规律

图3为地表A与岩层内部采深0.7H沿层面方向观测线C的最终下沉曲线,以各条垂线与A、C水平线上的交点为模型的观察点,观测线A为地表距煤层顶板252m,观测线C距煤层顶板145m。如图3所示:地表最大模拟下沉值为5.35mm,实际下沉值为1.23m,为占煤层采出厚度(17.59m)的6.99%,而距煤层0.7H处岩层的最大模拟下沉值为44.12mm,实际下沉值10.14m占煤层采出厚度的57.6%。这说明有42.4%的煤层采出厚度以离层、断裂、裂隙及垮落等形式存于煤层上方的0.7H范围内。

图3 模型D=0.7H(315m)时岩层与地表下沉曲线

图4 模型第12竖向观测线下沉综合曲线图

图4给出了观测线12各点下沉与工作面推进距及开采时间的相关曲线。观测线12位于采区中央正上方,最上方A12号点为地表距煤层顶板252m,最下方G12号点距煤层顶板4.6m。

从图中可以看出,当工作面推至观测线12之前,各测点反映出微小的下沉量,其值由两部分组成,一是模型材料的残余干缩量,二是由采动引起的下沉量。当工作面推过测线位置后,上覆岩层立即产生剧烈的移动与破坏,这种破坏程度由下向上逐渐减轻。随着工作面的推进,E12、F12、G12号观测点随老顶呈断裂性破坏而下沉,并在E12、F12号点间出现明显的下沉差,即产生了离层。继而在下位岩层中的离层逐渐减小或被压实,并转向上位岩层,如 C12、D12号观测点间产生的离层值最大,此时工作面已推过测线122m。从图中曲线看,这一离层位置存在时间相对持久;再往上的A12、B12、C12号测点间基本没有明显离层现象,说明在该开采条件下,离层发展最大高度为200m。

另外可以看出,在互层较均匀条件下,也未必在每一层面都产生离层,可能以层簇形式呈现同步下沉状态,如B12、C12号点和D12、E12号点间的岩层就表现出了同步运动过程。

3 结语

本文运用相似材料模拟实验,针对铁煤集团大平煤矿某工作面矿特厚煤层综放开采时的周期来压、垮落步距、岩层沉降规律等进行了相似模拟,得出以下结论:

(1)工作面顶煤的初次垮落步距为69m,老顶初次垮落步距为23m,周期垮落步距为46 -52m.

(2)开采空间的传播结果主要包含两部分:第一部分是地表的沉陷;第二部分是离层、断裂和垮落所形成的岩体内部的残留空间,采空区上覆岩层中存在大量离层这是事实,而且它只能出现在采空区正上方的某一高度范围内,本模型条件下为0.7H。

(3)离层发展不仅是由下向上逐渐发展,而且最大值位置也随高度的增加而在水平方向上远离开切眼,整体分布范围位于采空区正上方,这些为研究特厚煤层综放开采下上覆岩层运移规律提供了依据,对于生产实践具有一定的参考价值。

[1]蔡振宇,杨本生,刘新河.水体下煤层开采的相似材料模拟研究[J].中国矿业,2003,12(3):62-63.

[2]赵德深著.煤矿区地表沉陷控制理论与技术[M].大连:大连理工大学出版社,2005.10.

[3]崔广心.相似理论与模拟实验[M].北京:中国矿业大学出版社,1990.

[4]柴敬,伍永平,侯忠杰等.相似材料模型实验中围岩垂直应力测试的实验研究[J].岩土工程学报:2000,22(2): 218-221

[5]李鸿昌.矿山压力的相似材料模拟试验[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.

[6]王崇革,王莉莉,宋振骐,潘立友.浅埋煤层开采三维相似材料模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报,2004(7): 4926-4929

[7]关英斌,李海梅,范志平.煤层底板破坏规律的相似材料模拟[J].煤矿安全,2008(2):67-69

[8]任晓鹏,李志强,吕希富.龙马矿相似材料模拟实验[J].煤炭技术,2007(8):136-138.

Study of Similar Material Simulation in Research of the Migration Rule of Overlying Strata on Caving Extra-thick Coal Seam

ZHAO De-shen,CHEN Feng,WANG Zhong-chang

(KeyLaboratory for Prediction&Control on Complicated Structure System of the Education Depart ment ofLiaoning Province,Dalian University,Dalian,116622,China)

The experiment takes the extra-thick coal seam in Tongmeita Mountain as a prototype to research into characteristics of rock collapse and movement of the cover rocks on caving extra-thick coal seam.Similar material simulation is adopted to simulate and observe cycle pressure,collapse span,rocks displacement,and destruction rule of the overlying strata in the process of coal mining.The results show that rocks fracture extended from button as the workspace is pushed,with 69m for initial collapse span,23m for roof collapse span and 46-52m for cycle collapse span. Bed-separation of overlying strata exists in the range of 0.7H above the mined-out area,while the position of the maximum is far away from open cut in the horizontal direction along with the height increase.The simulation experiment provides a theoretical basis for the application and promotion of extra-thick seam mining technology.

Extra-thick coal seam,Similarmaterials simulation,Collapse span,Bed-separation

TU821

A

1008-2395(2010)06-0061-04

2010-09-05

国家自然基金资助项目(50574016,51009015),辽宁省教育厅科学技术研究基金资助项目(L2010038),辽宁省复杂结构系统灾害预测防治重点实验室开放基金(20100301)

赵德深(1957-),男,教授,Email:chfmaple@yahoo.com.cn