河下开采覆岩破坏规律物理模拟研究.pdf

第 1 7 卷 第 2期 2 0 0 8年 2月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 1 7 ，No 2 Fe br ua r y 2 0 08 河下开采覆 岩破 坏规律物理模拟研 究 任奋华 ，蔡美峰 ，来兴平 ( 1 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 西安科技大学能源学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ) 摘 要 ：西天河下采煤是 涉及矿井 生产安全 和环境安全 的技 术难题 ，开采 扰动造成 的采 空区上覆围 岩动力失稳很容 易演 化为衍生灾害 ，其失稳 表现为具有时 间效应特 征的一个 动态过程 。采用相似 材料模 拟实验对开采 引起 的覆岩断裂破坏 和地 表移动规律进行预计 与分析 ，其结果为 L 3 4 1 4综采工作 面制定开 采方案提供 有力 依据 ，最终实现 了安全 开采 。 关键 词 ： 覆岩破坏 ；西 天河 ；定量预计 中图分 类号 ：TD 8 0 7 文献标识码 ：A 文章编号 ： 1 O O 4 4 0 5 1 ( 2 0 0 8 J O 2 0 0 5 1 0 4 Ph y s ic a l s im u l a t io n s t u d y o n t h e p a t t e r n o f d e s t r o y o f t h e c o v e r in g r o c k f r o m m inin g b e n e a t h r iv e r b e d REN Fe n hu a ，CAI M e i f e n g ，LAI Xin g- ping ( 1 S c h o o l o f Civ il a n d En v ir o n m e n t a l En g in e e r in g，Un iv e r s it y o f S c ie n c e a n d Te c h n o l o g y Be i iin g，Be i ii n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a ；2 S c h o o l o f En e r g y ，Un i v e r s i t y o f S c ie n c e a n d Te c h n o l o g y Xi a n ，Xia n 7 1 0 0 5 4， Ch in a ) Ab s t r a c t ：M inin g be n e a t h r ive r be d is a t e c h nic a l pr obl e m inv ol ve d wit h t he s e c ur it y o f bo t h mining a nd t h e e nv ir on me nt The d yna m ic a l un ba l a n c e o f c o ve r in g r oc ks a b ov e t he mining ho l l ow， whic h is b r ou ght f r om dis or de r f r o m m inin g，is q uit e a pt t O t u r n int o de r iva t ion al c a l a mit yThis k in d o f u nba l a nc e be ha ve s a s a dy n a mic a l pr oc e s s wit h t e mpo r a l do min o o f f e c t Ba s e d O n s imul a t in g e xp e r ime nt s on s imil a r mat e r ial ，ou r s t u dy a na l y z e s a nd f or e c a s t s t he de s t r o y pa t t e r n of c ov e r ing r o c k f r a c t u r e a n d e a r t h S s ur f a c e mov e me nt b r oug ht f r o m min in gThe c onc l us io n o f our s t udy p r o vide s po t e nt s u ppo r t f o r t he de s ig n o f minin g s c he me of L3 41 4 int e g r a t e d mining wo r kin g- f a c e b e ne a t h t he Xit ia nhe r ive r be d，an d l e a d s t O pr a c t ic al s e c ur e min ing e ve n t u a l l y Ke y wo r d s ：d e s t r o y o f t h e o v e r b u r d e n r o c k，Xit ia n r iv e r ，q u a n t it a t iv e d e t e r min a t io n 西天河是宁夏 回族 自治 区灵武矿 区内惟一的常 年地表径流，它阻隔毛乌素沙漠 的扩展 ，对 区域生 态环境 有重 要 的作 用 ，同 时对 流域 内的煤层 开 采构 成 直接 威胁 。L3 4 1 4综 采工 作 面 ，是灵 武 矿 区西 天 河下首采工作面 ，顶板管理为全部垮落法。工作面 倾斜 长 1 8 9 m，走 向 长 1 0 4 1 m，开 采 最 小 采 深 为 9 4 m，煤 层 平 均 厚 度2 3 8 m，煤 层 平 均 倾 角 1 4 3 3 。 。如何保护西天河水免遭开采破坏 ，维护西 天河的现状 ，保证西天河下安全合理开采 ，最大限 收稿 日期 ： 2 0 0 7 O 9 1 5 作者简介 ：任奋华 ( 1 9 7 0 一) ，男 ，博士 ，主要从事 岩石力 学与地 下工程围岩稳定性方面的研究 。 度的解放河下压煤 ，对于灵新煤矿乃至灵武矿 区的 安全开采 、采掘的顺利接续与开拓的合理布局 ，以 及保护和调节毛乌素沙漠边缘地区的生态环境等都 具有 重要 意 义 。物理 模拟 实验 是地 下工 程 问题研 究 的有 效手 段之 一 ，通 过对 现场 问题 客观 、科 学 的模 拟分析，可以比较直观地确定解决问题的方法和途 径 ，同时为更深层次的理论分析和研究奠定基础 。 1 模 型设 计 1 1 模 型 参数 选取 模型的原始参数 取 自宁夏煤业集 团灵新煤 矿 L 3 4 1 4综采工作面综合柱状 图及实验 区域的地质资 料 1 。煤层及顶底板的力学参数见表 1 。 维普资讯 5 2 中 国 矿 业 第1 7 卷 模型参数选取几何相似常数为 1 0 0 ，容重相似常数 为 1 6 ，根据相似理论确定如下相似常数 ：应力及 强度相似常数为 1 6 0 ，时间相似常数为 1 0 ，载荷相 似常数 为 1 6 1 0 6 。模 型 支 架 为 4 20 2 1 7 m 。 1 2 测点布置 为了研究岩层及地表的移动变形规律 ，在开采 煤层上覆岩 层水平方 向上，共 布设 了 9条观测线 ( 如 图 1所 示 ) ，分 别 距 煤 层 顶 板 1 1 2 m、8 6 m、 7 8 m、 6 9 m、 5 9 m、 5 0 m、 4 1 m、 3 1 m、 1 3 m。 其 “ 开采”推进模拟 现场 的推进速度为 2 5 0 m 月 ，采 用一 天推 进 1 0 0 m，间 隔 1 d的方 法开 采 。所有 观 测 点的下沉及水平移动量 ，由经纬仪法 5 观测、计算 求得 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 l 9 20 2 1 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 4 l 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 o o o o o o o o o o o o o o o O o o o o o O o o o o o 4 9 5 0 51 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 8 5 9 6 0 61 6 2 63 o o o o o o o o o o o o o o o 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 6 9 7 0 7 1 7 2 7 3 7 4 7 5 7 6 7 7 7 8 7 9 8 0 8 1 8 2 8 3 8 4 8 5 8 6 8 7 8 8 8 9 9 0 o o o O o o o o o 0 o o o o o o o 0 o o o o 0 u u o o 9 1 9 2 9 3 9 4 9 5 9 6 9 7 9 8 9 9 1 0 01 0 1 1 0 2 1 0 31 0 4 1 0 5 o O o o o o o o o o o o o o o 5 0 l2 1 2 5 4 学 2。0 2 。1 o 孕 0 a 5 等 警 4o 2 2 9 。 a a 孥 鲁 鲁 学 管 管 留 謦 图 1 模 型岩移观测点布置 图 2实 验结果 分析 模型中煤层的模拟开采 ，是根据现场工作面实 际推进速度 ，按时间相似常数进行模拟开采 的。每 天模拟开采 l O O m，分两次采完。每次采完等待岩 层移动稳定后 ，都要对模型上的观测点进行一次全 面观测和计算 ，前后共进行 了 l 1次观测计算。 2 1 覆 岩垮 落特 征 ( 1 )直接顶 冒落 工作面开切眼形成以后，上覆岩层悬露 ，直接 顶受开挖而引起卸荷膨胀变形 的影 响，首先在 中部 产生离层，随着工作面的推进 ，在重力作用下发生 弯曲。岩梁悬露的跨度达到某值后 ，弯曲沉降也发 展到一定程度 ，岩梁的端部首先开裂；当工作面推 进到 3 5 m 时 ，在岩 梁的中部 开裂形成 “ 假 塑性岩 梁” ；当岩梁的沉降值超过 “ 假塑性岩梁”允许沉 降值时 ，悬露岩层即 自行 冒落。冒落形态存在不对 称性 ，工作 面前 方 垮 落角 为 3 8 。 ，后方 垮 落角 是 5 2 。 ，冒落带高度为 6 m，以后随着工作面的继续推 进 ，直 接顶 随采 随 冒。如 图 2 ( 1 )所示 。 ( 2 )老 顶初 次 破断 随着工作面的进一步推进 ，老顶在重力的作用 下弯曲下沉。当工作 面推进到 3 9 m 时 ，老顶出现 大范围移动，采空区前后煤壁上方基岩的上部、中 部 出现拉裂 隙。当工作 面推进 到 4 2 m 时，如 图 2 维普资讯 第 2期 任奋华等 ：河 下开采覆岩破坏规律物理模拟 研究 5 3 ( 2 )所示 ，老顶初次垮落 ，垮落形态表现为不对称 性 ，老顶 破断 岩块 沿工 作 面煤壁 切 落 ，岩层 间成铰 接，垮落角为 6 5 。 ，冒落带 高度为 6 m；导水 裂缝 带高 度为 1 8 m。 ( 3 )老顶 的周 期 性破 断 老 顶 初 次 破 断 后 ， 当 工 作 面 推 进 至 4 9 m 时 ， 如 图 2 ( 3 )所 示 ，上 部 顶 板 出 现 离 层 及 端 部 中部 发生断裂现象 ，发生第一次周期来压，顶板沿煤壁 切落 ，垮落角 7 o 。 ，冒落带 高度为 6 m，导水 裂缝 带高度为 2 7 m。工作 面推进至 5 2 m 时 ，上 部顶板 在靠近工作 面侧 的 1 5顶板跨 度处产 生断裂 ，即 “ 二次断裂” ，并开始 回转 、下沉运动。当工作面推 进到 5 6 m 时，发生第二次周期来压 ，来 压步距 为 7 m，垮落顶板成铰接 ，垮落角为 6 4 。 ，冒落带高度 为 O re，导水 裂 缝 带 高 度 为 3 2 m，如 图 2 ( 4 ) 所 示 。当工 作 面推 进 6 5 m 时 ，由 于上部 顶 板 厚度 大 ， 岩层 悬露 后 只 产 生 不 大 的 弯 曲 ，悬 露 岩 层 端 部 开 裂，在岩层的中部开裂很少的情况下 ，整体切断垮 落 ，出 现 岩 梁 剪 切 破 坏 的运 动 形 式 ，如 图 2 ( 5 ) 所示 。随着工作面的继续推进 ，上覆岩层继续呈现 出周期运动的特征 ，直接顶、老顶不断垮落 ，破裂 高度 也不 断 向上发 展 。 ( 1 ) 工作面推进 3 5 m覆岩破坏情况 (2 ) 丁作面推进 4 2 m覆岩破坏情况 ( 3 ) 丁作面推进 4 9 m覆岩破坏情况 ( 4 ) 工作面推进 5 6 m覆崭破坏情况 ( 5 ) 工作面推进 1 6 8 m覆 破坏情况 图 2覆岩 的垮落 过程 由于垮落带破碎岩体( 块)的支撑作用 ，使其 上 覆 岩层 的破 坏程 度减 弱 ，只 产生 裂缝 、断裂 ，虽 然岩层原有 的连续性被破坏 ，但并不失层理性 ，裂 缝 形式 及分 布状 态也 有 一定 的规律 。 2 2 顶板 破断 机理 分 析 随着 回采工 作 面 的推进 ，首先 在岩层 的 中部 产 生 离层 ，直 接顶 岩梁 的 中下部 和两端 上 部应 力集 中 明显，表现为拉应力集中。当开挖扰动产生的拉应 力超过直接顶的极限抗拉强度 时，在岩梁 的中下部 和岩梁两端的上部产生裂隙 ，此时直接顶的破断为 拉破坏所致 。而后 ，随着工作 面的继续推进直接顶 随采 随 冒 。 随着 回采工 作面 的继 续 推进 ，老顶 也是 首先 在 岩梁 的中部产生离层 ，同时岩梁的两端和中部 的拉 应力致使其产生损伤积累。当损伤积累达到一定的 程度 后 ，在 岩梁 的端 部 和 中下部 出现宏 观 裂纹 。 当 工作面继续往前推进时 ，老顶在开切眼侧始终受开 挖所引起 的拉应力的作用 ，老顶岩梁最大拉应力区 不断前移 ，最大损伤区也不断前移 ，从而形成老顶 的非 对称 破 断 。这种 老顶 的破 断过 程 ，随着 开挖 不 断进行而重复 出现 ，并且老顶的破坏也主要是拉应 力 所 致 。 2 3 地表移动规律 地表岩层移动稳定后 ，由第一条水平观测线上 各测点 ( 测点 1 2 1 )的最终 下沉值形成 的曲线 ， 可 以反映 出地 表 移 动规 律( 如 图 3所 示 ) 。下沉 曲 线的形态呈非对称性( 偏态性) 。岩层下沉曲线 的 偏 态性 ，是 由顶板 岩层 破 断 的偏 态 性所致 。模型上 最大下沉量为 1 1 3 2 mm，表现为实 际中地表最大 下 沉 量为 1 1 3 2 m。 维普资讯 5 4 中 国 矿业 第1 7 卷 0 堇 2 6 。 。 8 1 2 测点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l1 1 21 31 4 1 51 61 71 81 92 021 图 3地表下沉 曲线 2 4 岩 体 内部移 动规 律 地表岩层移动稳定后 ，由中间竖 向观测线各观 测点的最终下沉值 ，可计算出不同高度的岩层下沉 系数 ，得到研究模型的竖 向移动变形曲线 以及下沉 系数与岩层高度和采厚比的关系 。实测及计算数据 列 入 表 2中 。 根据表 2中数据 ，可绘制 出各点的下沉系数 y 表 2 不 同深度的岩层下沉值及 其下沉系数 测点编号 测点距顶板高度( m) 高度 与采厚 比 测 点最终 下沉值 ( m) 下沉系数 l 3 8 l 3 O 9 2 4 0 7 4 4 9 8 4 5 8 8 6 6 8 3 4 7 7 6 5 8 7 1 3 l l 1 6 5 与该点距煤层顶板高度 H 和煤层采厚 M 比的关 系 图 ( 如图 4 所示) ，通过曲线 拟合可得 出二者之 间 的函数关 系式 ： Y 一1 1 3 4一 O O1 3 4 X 式中 y 一不同深度 的岩层下沉系数 ； x一岩层距煤层顶板高度 H 与煤层采厚 M 之 比 ，即 H M 。 上式表明，不同深度的岩层 的下沉系数与岩层 深度 和采 厚 比成线 性关 系 ，随 岩层 距煤 层顶 板 高度 的增大，其下沉系数逐渐减小。 图 4 岩层下沉 系数与 岩层 高度和煤层采厚 比的关 系图 3结 论 采用相似材料模拟实验方法 ，研究 了河下开采 扰动覆岩移动变形破坏规律 ，得出以下结论 ： ( 1 ) 工作面开采后 ，采空区周围的岩层发 生了 较为复杂的移动和变形 ，从煤层 的直接顶板开始 ， 由下而上 依次发 生 冒落、断裂、离 层、裂 隙及弯 曲，最后形成垮落带 、裂隙带和整体弯曲带。 ( 2 ) 预计 L 3 4 1 4综采工作 面开采后 ，上覆岩层 的 冒落带高度为 1 O 1 4 m；导水裂缝带高度为