近距离煤层覆岩移动相似材料模拟

郭从军 南存全 王 东(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

近距离煤层覆岩移动相似材料模拟

郭从军 南存全 王 东(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

为了研究近距离煤层覆岩移动和离层发育规律，通过相似材料模拟试验，模拟了近距离煤层下行开采时覆岩移动过程；应用数字图像相关法对位移测点进行测量，获得了测点位移数据；应用聚类分析对测点进行分类，得出受采动影响的三带的具体范围。分析了测点的位移过程，得出测点位移特点具有连续性和突变性；采动影响范围的扩展特点为横向扩展、纵向延伸；下煤层开采时岩层最大位移点滞后工作面的距离缩短；上煤层开采时的离层量转化为下煤层开采时的垮落量。分析了离层扩展，得出离层扩展方向为横向扩展、纵向延伸，经历了发育—扩张—突变—闭合的过程；发现行、列测线离层率曲线均呈双驼峰状。对行测线，分析了离层率曲线成因和峰值点大小关系、位置变化，得出上部岩层相对下部岩层峰值点内错，峰值点位于断裂线附近，波谷位于采空区中部；对于列测线离层率曲线，得出峰值点为离层位置，峰值点左侧为离层闭合区，右侧为离层发育区，峰值点右侧波谷为关键层位置，峰值点随煤层开采不连续右移，具有跳跃性。给出了来压时刻的判别方法，发现采动影响区测点位移曲线上存在外包络线；给出关键层的识别方法，得出下煤层开采时关键层位置上移。

近距离煤层 覆岩移动 聚类分析 数字图像相关 离层 关键层

近距离煤层下行开采时，上部煤层开采后上覆岩层形成三带[1](冒落带、断裂带、弯曲带)，下部煤层开采时上覆岩层结构已发生变化，因此，岩层移动和矿压显现对于单一煤层开采既有相似之处，又有所差异。然而，人们对近距离煤层岩层移动的认识多以单一煤层开采时岩层移动规律进行参考。滕永海等[2]对覆岩离层发育进行了研究，得出岩层移动达到最大下沉速度时离层迅速发育，岩层移动达到最大负曲率时，离层完全形成的结论；冯国瑞等[3]得出岩层下沉随工作面推进呈现整体移动的偏态性特点；朱涛等[4]对极近距离煤层下层煤工作面直接顶岩层结构的稳定性进行了力学分析，揭示了下层煤开采时端面顶板冒落的机理。

煤层开采后，对于三带的划分[5]没有较好的依据，往往仅凭对实验中岩层垮落的直观判断；对于来压时刻[6]的判断，只是依据来压稳定后岩层移动结果来确定，因此明显滞后于来压时刻；对于关键层的确定，多利用公式进行理论计算[7]。本研究结合数字图像相关法对位移测点进行测量，利用聚类分析对测点进行分类，在此基础上，分析了岩层移动的特点、离层分布特点，给出了关键层的2种判别方法。

1 相似材料模拟

相似材料模拟是根据苏联学者库兹涅佐夫所提出的相似理论所形成的一种实验模拟方法[8]，1937年首次在前苏联全苏矿山测量科学研究院用于岩层与地表移动的研究问题[9]。

1.1 地质条件

本次研究实验原型为中煤平朔井工二矿9煤和11煤。1103采面设计长度300.5 m，推进长度1 500 m，煤层倾角2°～3°，煤层厚度3.26～6.31 m，平均厚度4.87 m。该区域地质构造简单，主要为单斜构造。11号煤层结构简单，由2～3个煤分层组成，煤层赋存稳定，采用大采高综采开采。11号煤层与上部9号煤层层间距4.79～11.1 m，平均8.19 m，中间夹厚度约0.5 m的10号煤层。9煤为全井田最厚煤层，平均厚度13.60 m，平均埋深323.2 m，采用综放开采。11煤以上地层总厚度为290～310 m。

1.2 相似参数的确定

采场上覆岩层移动、变形、破坏的基本作用力是压力和拉力，破坏形式为剪切和拉断；同时上覆岩层的变形与弹性模量、泊松比有关。因此在研究岩层变形破坏时，选取抗拉强度σt、抗压强度σc、黏聚力c、弹性模量E、泊松比μ作为主要指标。

根据现场的实际情况和试验台的尺寸，本实验选取几何相似常数αl为200，密度相似常数αγ为1.8。时间相似常数ατ为14，应力相似常数ασ、黏聚力相似常数αc、弹性模量相似常数360，泊松比、内摩擦角相似常数均为1。

1.3 材料选择

根据实验的需要及岩层的物理力学性质，选择石英砂作为骨料；石灰、石膏作为胶结物；硼砂作缓凝剂。相似材料配比见表1。

表1 岩层及材料配比Table 1 Rock stratum and materials mixing ratio

1.4 测点布置

为观测模型上岩层移动变化情况，实验中共布置了29列、10行位移测线，行列测线交叉处为测点初始位置，其中第3、7行不设测点，测点布置见图1。

图1 位移监测点布置及聚类结果

1.5 测点观测

采用数字图像相关方法[10]对布置的测点进行观测，将物体表面随机分布的斑点或人工散斑场作为变形信息载体，是一种对结构表面在外载荷作用下进行全场位移和应变分析的实验力学方法。其基本原理是通过分析试件表面变形前后的散斑图像进行图像匹配，确定试件表面上几何点的运动情况，进而得到应变场。它具有非接触、全场瞬时测量、测量精度高、光路简单、环境适应性好等优点。

2 岩层移动及矿压现象

2.1 上煤层开采

9煤层右区903工作面开时，当工作面推进总长为20.6 cm时，工作面顶板垮落，当工作面推进总长为42.2 cm时，初次来压。工作面推进全长106.9 cm，开采期间共有6次周期来压，来压步距2.4～15.4 cm，平均值为10.8 cm。岩层断裂线左侧50.7～55.2°，平均值为52.4°；右侧45.9～54.8°，平均值为51.2°。

9煤层左区904工作面开采时，当工作面推进总长为17 cm时，工作面顶板垮落；当工作面推进总长为37.3 cm时，初次来压。工作面推进全长101.9 cm，开采期间共有5次周期来压，来压步距6.4～20.7 cm，平均值为12.9 cm。岩层断裂线左侧47.4～57.9°，平均值为54.5°；右侧59.5～75.5°，平均值为63.1°。

2.2 下煤层开采

下煤层开采时各次来压情况见图2。

2.2.1 采空区外侧开采

当工作面推进总长为22.7 cm时，煤柱内来压，出现台阶下沉，裂隙带高度62 cm，岩层垮落3层，岩层断裂线在工作面上方，贯通至第6行测线上方，岩层断裂角右侧57.5°。

2.2.2 采空区下开采

当工作面推进总长为57.2 cm时，采空区初次来压，裂隙带高度62 cm，岩层断裂线在工作面前方，岩层断裂角左侧76.4°，右侧56.2°。

图2 下煤层开采来压情况

当工作面推进总长为75.2 cm时，采空区第1次周期来压，岩层断裂线在工作面前方，岩层断裂角左侧67.7°。

当工作面推进总长为126.4 cm时，采空区第2次周期来压，工作面顶板破碎严重，裂隙带高度67.3 cm，离层量2.9 cm，悬露长度43.9 cm，岩层断裂线在工作面前方，岩层断裂角左侧56.3°，右侧59.8°。

2.2.3 煤柱下开采

当工作面推进总长为136.7 cm时，煤柱下来压，出现台阶下沉，岩层断裂线在工作面后方，离层扩展到第6行测线上方。

3 实验现象及分析

3.1 位移测点的聚类分析

3.1.1 聚类原理

实验发现不同区域的测点具有不同的运动特点，而一定区域的测点运动特点相似，因此可以根据测点随时间的运动情况对测点进行聚类，划分出采动影响强弱的区域。本研究采用系统聚类法进行聚类分析。

其基本原理是:开始将n个对象各自作为1类，并规定对象之间的距离和类与类之间的距离，然后将距离最近的2类合并成1个新类，计算新类与其他类之间的距离；重复进行2个最近类的合并，每次减少1类，直至将所有的对象合并为1类。

3.1.2 聚类结果

将位移点分为12类的聚类结果见图1，位移点分类从12类到2类的结果见图3。对选择的156个测点进行聚类后，发现位移测点具有明显的区域分布特性：a、g、l类测点位于右区垮落带，c、b、d类测点位于左区垮落带；i、b、d、j类测点位于右区裂隙带，d、e类测点位于左区裂隙带；f、h类测点位于两侧的弯曲下沉带；k类测点位于上位弯曲下沉带。另外煤柱上的测点为d、e类测点。

图3 位移测点聚类树状图

可见对位移测点进行聚类分析后，结合测点的空间位置，可以较为准确地确定采动影响产生的垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的区域。

3.2 采动影响范围扩展方向

水平方向，随工作面推进，采动影响的范围表现出横向扩展的趋势。受采动影响初期，行测线的下沉曲线呈波浪状；充分采动后，下沉曲线呈抛物线状。从工作面推进方向看，岩层最大位移点滞后工作面一定距离，而下煤层开采的滞后距离明显小于上煤层开采的滞后距离。说明岩层在重复采动下，稳定性降低，易于垮落。

竖直方向，随工作面推进，采动影响的范围表现出从下向上纵向延伸的趋势，不同高度测点位移量具有明显差异，下层测点位移量大于上层测点。测点位移具有连续性和突变性的特点：测点位移量经历了从缓慢增长到剧烈突变再到缓慢增长的过程。第23列测线位移见图4。当下部岩层垮落或两岩层间出现离层时，上部岩层在自重作用下弯曲下沉，位移量缓慢增大；当达到极限强度时，岩层断裂垮落，位移量剧烈增大；断裂岩层与下位岩层接触后，在支持力作用下，位移量增速变缓，并逐渐稳定。

虽然11煤采高(2.35 cm)小于9煤采高(6.8 cm)，但各测点位移量明显大于9煤开采时测点位移量。说明下煤层开采时，受上煤层采动影响，原有裂隙和离层有较大发育，岩层结构破坏加剧，9煤层开采时岩层离层量转化为11开采时的垮落量。

3.3 离层扩展

离层扩展趋势为横向扩展、纵向延伸。竖直方向，离层发展经历了发育—扩张—突变—闭合的过程。煤层开采后，直接顶悬露，在重力的作用下弯曲下沉，岩层间产生微小的离层；随时间推进，离层发育，离层量不断变大，首先在岩层两侧上隅角处产生微裂隙；当岩层达到极限强度时，微裂隙贯通，导致岩层断裂并剧烈下沉。上部岩层重复下部岩层离层发育的过程，当上部岩层断裂接触下部岩层后，下部岩层在压力作用下不断闭合，上部岩层离层较为发育。

图4 第23列测线位移

采用离层率(上下相邻测点的位移差值与两测点的原始距离之比)来描述离层程度，它反映了离层发育后增加的长度占离层发育前总长度的百分比。

水平方向离层率变化见图5(a)，上煤层开采时，对于同一层岩层，离层率表现出两侧高，中间低的双驼峰状，开切眼一侧峰值点位置基本不变，另一峰值点随工作面推进向停采线方向移动；对于不同岩层，上部岩层的峰值点在下部岩层峰值点内侧，并且开切眼一侧上部岩层离层率峰值小于下部岩层；停采线一侧正好相反。两侧峰值点出现的原因为该测点位于岩层左右断裂线附近，离层高度发育；而中部离层率较小，是因为岩层离层后受上部垮落岩层挤压，造成离层重新闭合。开切眼一侧离层率峰值点位置不变，并且下部岩层离层率峰值大于上部，原因为开切眼一侧岩层断裂线位置基本不变，下部岩层受采动多次影响，离层发育逐渐充分，而上部岩层刚受采动影响，离层较小；停采线一侧现象的原因则正好相反，岩层断裂线沿推进方向移动，下部岩层垮落，而上部岩层离层较为发育。

下煤层开采时见图5(b)，对于同一层岩层，相对于上煤层，左侧峰值点位置不变，右侧峰值点外移；对于不同岩层，开切眼一侧上部岩层离层率峰值大于下部岩层；停采线一侧正好相反。主要原因为，下煤层开采时开切眼处产生新的断裂线，并且位置保持不变，离层在上煤层开采基础上继续发展上移，而下部岩层受压，离层趋于闭合。左侧峰值上大下小的原因与上煤层开采时一致。

图5 离层率变化

竖直方向，上部煤层开采时，离层率曲线呈两峰三谷的双驼峰状，见图5(c)。峰值点左侧为离层闭合区，右侧为离层发育区，峰值点为离层所在位置。左峰值点岩层先经历离层而后垮落压实，离层上移后产生新的右峰值点，峰值点随工作面推进向右移动，但并不连续，而具有跳跃性(如从行2移到行5)。

由关键层理论[11]，离层点上位岩层为关键层所在位置，即关键层位于峰值点右侧的波谷区域(行4和行6～8)，由于上部岩层随关键层随动[12]，关键层处离层率较小。峰值点右侧离层发育区曲线呈递减趋势，主要因为下部岩层垮落规则性相对上部岩层较差，导致岩层间存在小的结构；关键层的存在也是一个原因，上部岩层随关键层随动，离层率较小。

下部煤层开采时，离层率整体变大，右侧峰值点外移，第8行测线所在位置成为关键层。离层率整体变大，主要原因为覆岩在重复采动下，裂隙、离层再次发育，岩层结构变得松散；右侧峰值点外移，则是离层向上扩展的结果。

3.4 来压判别

对于相似材料模拟实验，通常来压判别的方法为目测，根据观察采动后上覆岩层大范围的垮落进行确定。实际上来压时岩层并未有较大范围移动，而先表现出岩层移动速率突然变大，此时通过目测很难确定是否来压。结合测点聚类分析结果、测点位移曲线、岩层断裂线和垮落情况进行综合分析可较为准确地确定来压时刻。

首先根据聚类分析结果和工作面推进位置，确定采动影响范围；然后分析采动影响范围内测点的运动情况，由来压前岩层移动速率突然变大，来压后岩层有较大范围移动的特点可以确定来压时刻；最后结合垮落情况验证推断。

3.5 关键层识别

由关键层的变形特征和破断特征[12]可知：关键层下沉变形时，将引起其上覆全部或局部岩层下沉来量同步协调，关键层的破断将导致全部或上覆岩层的同步破断，引起较大范围内的岩层移动。因此关键层的识别可以根据多组岩层的移动是否具有随动性来判别，反映在测点位移曲线上，表现为存在外包络线，包络线下方曲线与包络线近似平行，具有良好的随动性，测点位移量从一个稳定值迅速上升，并持续稳定。

图6 9煤右区4～6行测线位移

9煤右区开采时，上方5～6行测线所在岩层随第4行测线所在岩层垮落后同步移动，见图6；9煤左区开采时，上方5～6行测线所在岩层随第4行测线所在岩层垮落后同步移动；11煤开采时，上方9～10行测线所在岩层随第8行测线所在岩层垮落后同步移动，具有明显的随动特性。

因此，9煤开采时关键层为第4行测线所在岩层，11煤开采时，第4行测线所在岩层因重复采动导致裂隙发育、承载性能降低而垮落，关键层上移为第8行测线所在岩层，这与前文3.3中根据列测线离层率曲线分析的结果一致。

4 结 论

(1)应用聚类分析对测点进行分类，结合测点的位置，可以得出采动影响的三带的具体范围。

(2)测点位移特点具有连续性和突变性；采动影响范围的扩展特点为横向扩展，纵向延伸。下煤层开采时岩层最大位移点滞后工作面的距离缩短；上煤层开采时的离层量转化为下煤层开采时的垮落量。

(3)行、列测线离层率曲线均呈双驼峰状。

(4)对于行测线离层率曲线，上部岩层相对下部岩层峰值点内错，峰值点位于断裂线附近，波谷位于采空区中部。上煤层开采时，开切眼一侧峰值点下大上小且位置固定，停采线一侧峰值点上大下小且沿推进方向移动；下煤层开采时相对上煤层，左侧峰值点位置不变，右侧峰值点外移，大小关系与上煤层开采时结论相反。

(5)给出关键层的识别方法，发现采动影响区测点位移曲线上存在外包络线，包络线下方曲线与包络线近似平行，具有良好的随动性，可作为关键层的标志。

(6)根据行测线位移曲线、列测线离层率曲线分别对关键层进行分析，得出一致的结论：上、下煤层开采时关键层分别在第4、8行测线附近，下煤层开采时关键层位置上移。

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(责任编辑 徐志宏)

Similar Material Simulation Experiment on Overburden Rock Movement of Close-distance Coal Seams

Guo Congjun Nan Cunquan Wang Dong(CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)

In order to study the law of overburden rock movement and bed separation development in close distance coal seams，the movement of overburden rock when downward mining of close distance coal seams is simulated through similar material simulation experiment.The digital image correlation method is applied to measure displacement points and obtain displacement data of the measured points.The cluster analysis is used to classify the measured points and obtain the specific scope of the three zones under mining influence.According to the analysis on the displacement process of measured point，it has a feature of continuity and mutability.The expansion of the mining influence scope is in lateral spreading and vertical extension; When lower coal seam is explored，the maximal displacement point is behind the shortening distance of working face.Bed separation during upper coal seam mining is transformed into caving at lower coal seam mining.By analyzing the extension of the bed separation，it is concluded that the direction of the bed separation is in vertical and horizontal extension，and experiences the process of development-expansion-mutation-close.It is found that the bed separation rate curve of the row and column survey line is in double-humped shape.On row survey line，the causes for bed-separation rate curve，peak point size relations，and position change are analyzed，it is concluded that the peak point of the upper rock stratum are in internal displacement with that the lower rock stratum，the peak point nears to the fracture line，and the trough is located in the middle of goaf.From bed separation rate curve of the column survey line，it is obtained that the peak point is in bed separation.The closed area of bed separation is on the left of peak，and the development area is on the right.The trough on the right side of peak point is the position of key stratum; Peaks discontinuously moves and leaps to the right with coal seam mining.The discriminant method for weighting moment is given，finding that outer envelop curve exists on displacement curve of measuring point on mining influence zone.The identification method for key stratum is given，obtaining that the position of key stratum move up during lower coal seams mining.

Close-distance coal seams，Overburden rock movement，Cluster analysis，Digital image correlation，Bed separation，Key stratum

2014-09-19

国家自然科学基金项目( 编号：51104084)。

郭从军(1986—)，男，博士研究生。

TD 325.1

A

1001-1250(2015)-01-010-06