曹培喜，杨本水

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)



朱集矿采动上覆岩层活动演化规律相似模拟研究

曹培喜，杨本水

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：以朱集矿工作面开采技术条件为背景，建立了工程地质模型，采用相似模拟实验，研究了工作面开采后，上覆岩层变形移动及裂隙分布演化特征，获得了采动岩层破断垮落及位移特征参数，以及与工作面推进度的相互作用关系，为留巷位置的合理确定、上行开采可行性等工程实践提供了科学依据。

关键词：覆岩变形；裂隙；垮落；模拟实验

0引言

我国属于矿产资源大国，伴随着经济高速发展，煤矿的开采日益扩大，开采区上覆岩层逐渐失稳，平衡条件破坏严重，导致岩层移动、变形、破坏，甚至塌落。进而全国各大煤矿开采区出现大规模、大范围的采空塌陷区，占地规模庞大，给人民生产、生活，以及环境带来了严重地灾害。近些年来，这些问题引起了我国从事开采沉陷和采矿界专家的重视，先后进行多项实验研究，取得了一定的研究成果和经验[1-4]。但是从研究成果来看，此项技术还没有形成一个完整的技术体系，同时研究上覆岩层活动演化规律，对控制地表沉陷、环境保护、煤炭开采的可持续发展也具有重要意义。因此，本文采用相似模拟实验对朱集煤矿采动上覆岩层活动演化规律进行了研究。

1工作面开采技术条件

朱集煤矿隶属于淮南矿业集团，东井田属朱集井田27勘探线以东部分，位于安徽省淮南市潘集区与怀远县交界处的武前庄与骑龙庄一带，井田东西长约7.0 km，南北宽约3.0 km，面积21 km2。井田范围内煤层赋存简单，地质条件较好，煤层平均倾角2～5°，属近水平煤层，易于发挥工作面生产能力。10煤含煤面积37.16km2，可采面积33.3km2，赋存标高在-350～-1000之间，大部分赋存于-920～-940m之间,煤层厚度0～5.02m，平均3.32m，属结构简单、大部可采的较稳定煤层。朱集煤矿—906东翼轨道大巷埋深在950～980m之间，顶板以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，底板则主要以砂岩为主，各岩层厚度一般集中在4～10m之间,局部为厚度15m的砂质泥岩。

2上覆岩层活动规律的物理模拟研究

采煤工作面从开切眼开始推进，随着直接顶悬顶面积的增大，直接顶顶板中产生横向裂隙与老顶发生离层，当推进距离达到直接顶极限跨距时，即发生直接顶首次垮落，如图1中1所示；直接顶垮落后，由于老顶的强度较大，老顶仍处于悬露状态，相对上覆岩层，老顶的变形大，与上覆岩层发生离层，破断前形成较大的悬空，以“板”的形式支撑上覆岩层的重量，工作面推进距离继续增大，老顶悬露达到其极限跨距，老顶(砂岩)发生初次破断垮落，如图1中2所示；老顶垮落后上覆岩层由于失去老顶的支撑作用，老顶其上的较软弱岩层随老顶的垮落也发生同步变形、破断，但采场上位关键层岩梁由于其岩层强度大，在老顶垮落后不会立即垮落，而是当老顶进一步发生垮落后，大概需两到三个周期来压后上覆关键层岩梁达到其极限垮落布距后发生破断，采场的岩层活动范围达到最大，如图1中3所示；此后工作面继续推进，上覆岩层将发生周期性的垮落、稳定过程。

图1　上覆岩层渐次垮落稳定示意图

2.1相似模拟的建立

相似模拟试验以朱集煤矿为例，根据基本计算理论[5-6]，采用平面应力模型架(如图2)，几何尺寸(长×宽×高)2.5 m×0.2 m×1.0 m。整个实验系统主要包括框架系统、加载系统和测试系统三部分。

图2　平面应力物理模拟模型架

传统相似材料模型试验中，根据原型岩体的力学参数与原型试件的力学参数相等，模型体的力学参数与模型试件的力学参数相等，运用原型试件与模型试件的相似进行试验。图3为物理模拟模型。实际上，原型岩体与原型试件、模型体与模型试件之间存在尺寸效应，影响试验的准确性，因此模型的力学参数需要经过修正。依据工作面的尺寸及本试验目的，考虑尺寸效应的影响，确定修正后模型的几何相似比为Cl=100，岩层密度为2.5 g/cm3，相似材料密度1.5 g/cm3，因此密度相似常数Cρ=25/15，应力相似常数Cσ=100×25/15=166.7。

图3　物理模拟模型

模型架尺寸有限，只能模拟一定厚度的岩层，因此采用外载代替未能模拟到的地表岩层重量。模型上覆岩层厚度400 m，垂直应力σv=2.5×400=10 MPa，模型中的垂直应力为σvm=0.060 MPa=60 kPa，施加的力F=60×0.02=1.2 kN=1200 N。试验采用杠杆加载方法，通过增减重块的数量和调节离支点的间距实现加载。

模型的开切眼位于模型左边界65 cm处，于模型右边界65 cm处终止，模拟工作面推进长度为120 m。在模拟过程中，在模型内共设置6个压力盒，分两层布置，每层3个，模型制作完毕一周后拆除模板，模型表面刷白晾干并打上网格线，网格尺寸为50 mm×50 mm。

综合考虑上面的各种因素以及相似模拟原型条件，本次相似模拟岩层的配比见表1。

表1　相似材料配比及其物理力学性质参数

2.2上覆岩层破断垮落及位移特征

图4　直接顶初次垮落过程示意图

2.2.1上覆岩层破断垮落特征

图4为工作面从切眼位置开始到直接顶第一分层初次垮落时顶板的垮落过程。采煤工作面从开切眼开始向前推进，在0～32 m推进过程中，直接顶出现2～3条横向裂隙，但裂隙张开度较小，并不明显；随着工作面向前推进，原岩应力逐步向工作面前后两侧煤壁转移，直接顶悬顶跨度不断增加，开挖35 m后，顶板横向裂隙进入快速发育期，裂隙条数和张开度明显增大，随着横向裂隙的发展，使直接顶与老顶产生离层，产生微纵向裂隙，开挖37.5 m时，直接顶局部冒落，导致直接顶第一分层在开挖40m时产生较大面积垮落即初次垮落，垮落高度为6m，块体较小，呈松散状，纵向裂隙和横向裂隙发育，贯穿整个岩层。直接顶与老顶由于模型材料碎胀系数较小，垮落的岩层仍呈层状特征，垮落岩石尚未充满采空区。

图5为采动覆岩破裂跨落过程。由于老顶的强度较大，直接顶发生初次垮落后，老顶仍处于悬露状态，相对上覆岩层，老顶的变形大，与上覆岩层发生离层，破断前形成较大的悬空，以“板”的形式支撑上覆岩层的重量，工作面推55 m，老顶悬露达到其极限跨距，老顶(砂岩)发生初次破断垮落，垮落下来的老顶块度长约15 m。推进75 m时发生第一次周期来压；此后每推进约20 m有一次周期来压，引起了上部岩层较大的变形和破坏。

图5　采动覆岩破断垮落过程示意图

2.2.2上覆岩层位移特征

模拟煤层开采过程中，采用位移计对上覆岩层活动进行监测，分别在煤层顶板15 m、46 m和76 m高度设置测点(测点布置如图6)进行观测，不同层位顶板移动变形曲线如图7所示。

实心圆代表位移测点；椭圆代表应力测点；单位：mm图6　物理模拟测点布置

图7　不同层位顶板下沉量与工作面推进距离关系

结合图7，根据上覆岩层的位移特征，煤层顶板各位置布置的测点变形可分三个阶段，即缓慢增长阶段、跳跃式增长阶段和稳定阶段。以图7a，煤层顶板15 m高度处岩层变形特点为例，分析可知：

1)缓慢增长阶段。煤层开始回采至30 m，各层岩层测点未见变化迹象，均处于稳定阶段，但直接顶已开始出现少量的宏观裂隙，但裂隙张开度较小，并不明显；CH001已经有活动的迹象。开挖至35 m后，顶板横向裂隙进入快速发育期，这时15 m层位的顶板的CH001测点随着煤层的回采，顶板上覆岩层随之运动，但增速较小。工作面回采50 m时，顶板岩层下沉量仍然相对较小，仅为3 mm。

2)跳跃式增长阶段。随着煤层开采向前推进，上覆岩层发生垮落，CH001测点在工作面推进55 m呈现跳跃式增长，导致老顶初次来压，随后采动应力进入短暂的调整期，离层破裂范围不断向上发展，此时CH001稳定一定时间；工作面继续回采，CH001测点又跳跃式增长，顶板下沉速度及下沉量急剧增加，最大下沉量达到32 mm，导致工作面在推进75 m时发生周期来压，垮落高度、垮落范围不断增加，岩层运动渐次向上发展。

3)稳定阶段。随着工作面的回采和采空区垮落岩体进一步压实，采空区上覆岩层受到已冒落矸石的支撑，并进入压力不变区，此时CH001测点达到最大下沉值，测得其下沉值为34 mm。

CH002、CH003、CH004呈现规律与CH001规律相似，但缓慢增长阶段和跳跃式增长阶段较长，稳定阶段相对缩短，同时由于采空区压实程度的差异，各测点的最终下沉量随着至切眼距离的增大而逐渐减小，分别为33 mm、32 mm和28 mm。3条观测线仍在继续下沉，但下沉速度缓慢。

3结论

1.由相似模拟得出的上覆岩层破断过程表明，煤层采出后，煤岩层内应力重新分布，随着工作面持续推进，上覆岩层将依次发生直接顶、老顶垮落，在老顶垮落后工作面继续推进，其破坏范围仍会继续上延，两到三个周期来压之后上覆岩层移动才会趋于稳定。

2.上覆岩层的位移特征表明，煤层顶板的变形可分三个阶段，即缓慢增长阶段、跳跃式增长阶段和稳定阶段。

3.从以上研究结果可以看出，采场上覆岩层在老顶初次破断后，须经两到三次周期来压后才能趋于稳定，因此，留巷后钻孔的滞后施工距离应至少选择在工作面过2#联巷3～4个周期来压之后，即45～60m之后。

参考文献

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Study of Evolution Patterns of the Overlying Strata by Equivalent Material Simulation: A Case of Zhu Ji Coal Mine

CAO Peixi， YANG Benshui

(School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230022，China)

Abstract:This paper establishes an engineering geological model in the technical conditions of Zhu Ji mine face. By Equivalent Material Simulation, it studies evolution characteristics of the overburden deformation moving and fracture distribution after the working surface has been mined,and obtains the characteristic parameters of mining strata breaking collapse and displacement as well as the relationship they have with the working surface advance The findings of this papper provide a scientific basis for determining the reasonable position of left lane and the ascending mining feasibility engineering practice.

Key words:overburden deformation;fracture ;collapse ; simulation test

中图分类号：TB24

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2016)01-025-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160106

作者简介：曹培喜(1990-)，男，研究生,主要研究方向为地质灾害与防治工程。

基金项目：国家科学自然基金项目(51274007)

收稿日期：2015-07-03