上覆巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律的实验分析

蒋金泉1，武泉森2，张培鹏2，王普2

(1.山东科技大学 采矿工程研究院，山东 泰安 271000；2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

[摘要]针对工作面上覆巨厚坚硬岩浆岩条件，采用相似模拟实验研究方法，研究了巨厚岩浆岩的破断运移规律。通过分析实验现象和实验数据，得知岩浆岩的初次破断是两端支承悬空结构中部下位及端部上位拉破断所致，岩浆岩破断后下位离层闭合，岩浆岩初次破断后的覆岩呈现拱形状态。岩浆岩2次周期性破断结构具有几何相似性，破断岩块呈平行四边形形态，并能够形成铰接结构，周期破断后并不随之失稳运动。岩浆岩及其上位岩层几乎发生同步运移，岩浆岩作为主关键层控制着采场覆岩运动，对覆岩结构有决定作用。

[关键词]巨厚坚硬岩浆岩；破断运移规律；相似模拟；关键层

[中图分类号]TD325[文献标识码]A

[收稿日期]2014-07-30

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.003

[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51374139)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2013EEM018)

[作者简介]蒋金泉(1961-)，男，江苏如东人，教授，博士生导师，从事矿山压力与岩层控制的研究工作。

Experiment of Extremely-thick and Hard Magmatic Rock′s Movement and Breakage Rule

JIANG Jin-quan1, WU Quan-sen2, ZHANG Pei-peng2, WANG Pu2

(1.Mining Engineering Research Institute, Shandong University of Science & Technology, Tai′an 266590, China;

2.Mining & Safety Engineering School, Shandong University of Science & Technology, Qingdao 271000, China)

Abstract:Applying analogue simulation method to researching breakage and movement rule of extremely-thick hard magmatic rock, it was obtained that first breakage of magmatic rock was tension breakage of upper- middle and ends of two-end abutment hanging structure by simulation data analysis, and that overlying strata took on arch state after first breakage for lower-rocks separation.Periodical breakage of magmatic rock had geometrical similarity, broken rocks took on parallelogram and could form hinged structure which were not easy to be instable after periodical breakage.Magmatic rock moved simultaneously with upper strata.As the key strata, magmatic rock controlled overlying strata movement of mining field.

Keywords:extremely-thick hard magmatic rock; breakage and movement rule; analogue simulation; key strata

[引用格式]蒋金泉，武泉森，张培鹏，等.上覆巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律的实验分析[J].煤矿开采，2015，20(1)：8-11.

巨厚坚硬岩层在我国多个矿区均有分布，如新汶华丰煤矿巨厚砾岩、济宁三号煤矿巨厚岩浆岩、兖州鲍店煤矿厚层红砂岩、淮北海孜煤矿巨厚岩浆岩、淮北杨柳煤矿两层厚度较大的岩浆岩、铜川焦坪煤矿巨厚砾岩、义马常村煤矿巨厚砾岩等 。坚硬巨厚岩层具有厚度大(几十米甚至几百米)、强度高(单向抗压强度50～110MPa)等特点。煤层开采后硬厚岩层悬空面积大、围岩应力集中程度高、硬厚岩层下部离层空间大，硬厚岩层破断失稳时动载强烈，易诱发矿震、冲击地压等动力现象，甚至引发十分严重的地质灾害，给煤矿安全生产造成了严重隐患或威胁。淮北杨柳煤矿煤层上方有巨厚坚硬的岩浆岩，其运移失稳对采场安全具有潜在威胁，因此，研究岩浆岩破断运移规律就显得尤其重要[3-6]。通过相似模拟实验的方法可以直观地观测到岩浆岩破断全过程，通过分析实验数据可以获得巨厚坚硬岩浆岩破断运移的规律，对煤矿冲击地压的防治、巷道维护有积极的作用。

1相似材料模拟实验

1.1　模型特征

针对工作面上覆岩层中赋存着巨厚坚硬岩浆岩的地层特点，按照相似理论构建相似材料试验模型，模拟研究工作面开采过程中巨厚坚硬岩浆岩破断运移规律。模拟地层原型的主要特征为：开采煤层厚度8m，上覆岩层主要由细砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层及岩浆岩等组成，上覆岩浆岩厚度为60m，距开采煤层的层间距为80m。相似模拟试验台规格为3m×0.4m×2m，有效高度1.8m，采用平面应力模型，平面模拟试验台由框架系统、加载系统和测试系统三部分组成。

根据相似理论[7-8]以及参照前人相似模拟经验确定本次实验相似比，其中几何相似比为1∶200，时间相似比为1∶14，密度相似比为1∶1.5，弹性模量相似比为1∶300，强度相似比为1∶300。为了实验易于操作，在不改变原有物理性质条件下，对次要作用的岩层进行合并[9-10]。对应原型的岩层单向抗压强度以淮北矿业集团杨柳煤矿地层岩石力学参数为依据，根据相似理论及相似条件计算得到模型中各岩层的单向抗压强度，选取相应的相似材料配比，见表1。

表1　模型岩层参数及配比

1.2　监测方案及仪器

如图1所示，在距煤层高度26m，62m，72m，82m，222m处分别布置5条测线，记作测线1，2，3，4，5，其中测线4位于岩浆岩处，测线5位于岩浆岩上位岩层。沿着工作面的推进方向，在每条测线上每隔20m布置1个测点，编号为1～29(其中测点1距离模型边界20m)，5条测线共计布置145个测点。为了准确地记录覆岩各个测点的位移变化情况，实验采用尼康Nivo 2.M全站仪对模型上关键部位进行垂直位移和水平位移跟踪观测，测量精度为毫米级。

图1　测线和测点布置

2实验过程及结果分析

实验每次开挖10m，实验模拟推进540m，上覆岩浆岩出现了3次断裂，根据其断裂现象及断裂特征可以分为1次初次破断和2次周期破断。在实验过程中，开采区域上覆岩层均发生了不同程度的运移，通过记录的实验数据和实验现象对实验进行分析。

2.1　岩浆岩下部岩层运动规律研究

工作面推进到30m时，直接顶开始垮落，由于开采引起的运动空间的存在，上覆岩层开始出现弯曲下沉，有纵向裂隙出现。

当工作面推进100m时，基本顶发生初次破断，并形成前后铰接的传递岩梁结构, 粉砂岩及上覆岩层在两端和中部发生断裂，断裂后岩层呈现组合运动的形式，并与上覆岩层之间出现了明显的离层，离层的跨度为40m,最大高度为3m(图2)。基本顶初次来压步距为100m。

图2　工作面推进100m时岩层运移情况

随着工作面的继续推进，离层继续往上发育，但发育速度比较慢，当工作面推进到160m时，岩浆岩下方首次出现离层，随着工作面的推进，离层继续扩展，离层发育最大高度为4.6m，离层跨度为66m。

2.2　岩浆岩初次破断规律研究

随着工作面的不断推进，离层发育的高度越来越大，岩浆岩下位的岩层岩性软弱且抗弯刚度小，下位岩体发生整体弯曲。当工作面推进到270m时，如图3所示，岩浆岩下部的离层发育高度比较明显，跨度达到164m，离层最大高度达到5m。当工作面继续推进时，岩浆岩下部离层继续发育，岩浆岩形成了两端支撑的悬空结构。工作面推进至280m时，岩浆岩中部出现了纵向裂隙，纵向裂隙在岩浆岩上的发育高度为400mm。

图3　工作面推进270m时岩层运移情况

如图4所示，工作面推进到380m时，岩浆岩发生了初次全厚破断，岩浆岩破断形状呈不规则的梯形，岩浆岩本身强度高，坚硬且厚度大，在未断裂前可以承担上覆岩层的荷载而保持稳定性，当岩浆岩发生断裂失稳后，上覆岩层失去支撑，发生了整体断裂下沉。岩浆岩的初次断裂是两端支承悬空结构的中部下位及端部上位拉断破坏所致，岩浆岩破断后下位离层闭合。岩浆岩初次垮落步距为380m。

图4　工作面推进380m岩浆岩初次破断

2.3　岩浆岩周期破断规律研究

随着工作面的推进，岩浆岩发生了2次周期性破断。由图5(a)可知，当工作面推进至430m时，岩浆岩发生第1次周期性断裂，断裂线先从岩浆岩端部上位开始发育，并逐渐向下位延伸，最后贯通整层岩浆岩。由图5(b)可知，工作面推进到540m时，岩浆岩出现第2次周期性破断，破断现象与第1次周期破断现象大体相同，破断后岩浆岩块体具有相近的几何形态。岩浆岩的第1次周期垮落步距大约为60m，第2次周期垮落步距大约为110m。

图5　岩浆岩周期破断规律

由实验记录的现象和测得的数据可以看出：岩浆岩发生周期性破断时具有相似的尺寸效应和破断特征，断裂块体在长度方向上分别为80m和86m，断裂岩块的形状大体是平行四边形。岩浆岩周期破断失稳后，岩块与岩块之间形成了稳定的铰接结构。

2.4　岩浆岩破断机理

2.4.1岩浆岩初次破断机理分析

由于巨厚坚硬岩浆岩的强度远大于其下方岩层(主要为泥岩、砂岩)强度，导致岩浆岩与下方岩层之间的运动不同步，下方岩层的挠度大于岩浆岩的挠度，因此将会在岩浆岩与下方岩层之间产生离层，离层高度和跨度的不断发育为岩浆岩的破断提供了条件。岩浆岩初次破断属于两端支承悬空结构的弯曲拉破断，首先在岩浆岩中部下位出现裂隙，当中部裂隙发育到一定高度时，岩浆岩在自重应力及上覆载荷的作用下在岩浆岩的两端产生裂隙，从而引起岩浆岩的破断失稳。

2.4.2岩浆岩周期破断机理分析

岩浆岩2次周期破断具有相似性，现以第1次破断为例进行简要分析。在岩浆岩初次破断后，岩浆岩形成悬臂梁结构，并且在上覆压力及自重作用下，岩浆岩发生回转，使岩浆岩发生破坏失稳。在岩浆岩周期性破断过程中，岩浆岩上部首先出现破断裂隙，然后裂隙逐渐向下部发展，最后贯通整层，最终产生周期破断。岩浆岩周期破断后并没有立即发生失稳，其原因是破断后的岩块形成了铰接结构。

3覆岩位移变化及分析

在模型上共设置了5条监测线，选取了其中具有代表性的4号和5号2条监测线。根据全站仪记录的数据绘制了2条监测线上主要监测点随工作面推进垂直位移变化曲线，如图6、图7所示。

图6　4号测线上主要测点垂直位移随工作面推进变化曲线

图7　5号测线上主要测点垂直位移随工作面推进变化曲线

由图6可见，当工作面推进到大约370m时，岩浆岩上位岩层位移下降速度增加。在工作面开采初期岩浆岩未发生破断可以承担自重及上覆岩层载荷，此时岩浆岩上位岩层的位移并没有发生明显的变化，当岩浆岩发生破断后，岩浆岩上位岩层也随着发生弯曲下沉。

通过图6、图7可以看出，岩浆岩层和岩浆岩上位岩层测点垂直位移变化曲线具有很大的相似性，岩浆岩的破断导致了岩浆岩上位岩层的下沉，岩浆岩上位岩层运移规律主要受岩浆岩控制。

4结论

(1)从相似模拟实验中测得的数据可以得出岩浆岩初次断裂的垮落步距为380m，第1次周期断裂步距为60m，第2次周期断裂步距为110m。

(2)岩浆岩初次破断后的形状大体成拱形。岩浆岩初次破断属于两端支承悬空结构的拉断破坏，岩浆岩的中下部先出现裂隙，当中部裂隙发育到一定高度时，在自重应力及上覆载荷的作用下岩

浆岩的两端产生裂隙，从而引起梁两端的破断失稳。

(3)岩浆岩周期破断为弯曲拉破断，破断岩块相互铰接，不易失稳，破断后形状呈现平行四边形。2次周期破断具有相似性，长度几乎相等。

(4)坚硬巨厚岩浆岩为主关键层，对上位岩层的控制作用明显，岩浆岩的破断导致岩浆岩上位岩层整体下沉。

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[责任编辑：李宏艳]