放顶煤开采条件下覆岩移动规律试验研究.doc

放顶煤开采条件下覆岩移动规律试验研究2005-10-25 14:28:05摘要通过对放顶煤开采条件下覆岩移动相似模拟试验结果的分析，并与实际观测资料相对照，总结出了在放顶煤开采条件下覆岩断裂角、冒裂带高度大小的基本规律，以及尖灭硬岩层、煤层顶板岩性对覆岩移动的影响等问题。关键词放顶煤开采覆岩移动试验研究前言放顶煤开采技术由于其高产、高效、煤质好，已在我国许多有条件的矿区被广泛采用，但由此引起的开采沉陷问题也日益突出，解决在放顶煤开采条件下覆岩移动问题已迫在眉睫。研究放顶煤开采条件下覆岩移动规律的方法通常有理论研究、实际观测和模拟研究三种。由于岩层移动是一个影响因素非常多、非常复杂的物理力学过程，理论研究正在逐步深入；实际观测是研究岩层移动的主要方法，但由于放顶煤开采技术应用时间较短，以及客观条件限制，目前观测数据很不充分，特别是对岩层内部的观测。因此模拟试验就成了研究放顶煤开采条件下覆岩移动规律的有效方法。本次试验所模拟的地质采矿条件完全与新集矿的实际情况相似，从而避免了模型简化对试验结果产生的影响。1模拟试验概述1.1原型条件相似模拟试验的剖面根据新集矿试验区实际勘探剖面所得，制作模型10台，开采煤层为131煤、112煤，均为近水平煤层，全部跨落法管理顶板。煤层赋存、顶板岩性和开采方法见表1。表1煤层开采及赋存情况表模型编号开采煤层 开采方法开采厚度（m）埋藏深度（m） 顶板岩性1131煤放顶煤开采 10.7303泥岩112煤普采3.7366砂质泥岩3131煤放顶煤开采 7.0 300 砂质泥岩4 131煤 普采 8.0 320砂质泥岩5131煤 放顶煤开采 8.6 508粉砂岩112煤 普采 3.0576砂质泥岩6 131煤放顶煤开采 8.6 508粉砂岩，切有裂隙112煤普采3.0 576砂质泥岩，切有裂隙7131煤 放顶煤开采8.6508粉砂岩，切有裂隙112煤普采3.0 576砂质泥岩，切有裂隙8131煤 放顶煤开采8.6508粉砂岩（碎裂）112煤普采3.0576 砂质泥岩（碎裂）9131煤放顶煤开采4.0595泥岩夹煤10131煤放顶煤开采 4.0556泥岩夹煤1.2相似材料配比制作模型主要所用材料有：河砂、云母、碳酸钙、煤粉、石膏、水、水泥和锯末等，相似材料配比是根据煤岩层的抗压强度进行的。1.3模型设计尺寸和相似条件模型框架尺寸为：2500mm200mm1800mm的平面模型，采用杠杆加载进行相应高度补偿。在试验过程中，模型与原型之间严格遵守相似原理。a几何相似比第1、2、5、6、7、8模型为：aL1150第3、4模型为：aL1200第9、10模型为：aL1100b模型的容重比为：ar=rm/rp=0.625c模型的强度比为：amp=aL*ar第1、2、5、6、7、8模型为：a1240第3、4模型为：a1320第9、10模型为：a1160d模型的时间比：at=tm/tp=(a)1/2第1、2、5、6、7、8模型为：at112第3、4模型为：at114第9、10模型为：at1102主要试验结果分析2.1岩层断裂角131煤层和112煤层开采完，其覆岩移动稳定后，采空区上方岩层破坏形态呈拱形（图1），称为冒裂拱。分别将开切眼侧和停采线侧的岩层断裂点连接起来近似为一直线，称为断裂线。断裂线与煤层在采空区一侧所夹角为断裂角（图1中的角）。断裂角也是影响岩层与地表移动大小和下沉盆地形态的一个重要因素。131煤采完覆岩移动稳定后断裂角见表2。 表2131煤采完覆岩移动稳定后断裂角（单位：度）模型编号 1 3 4 567 810平均断裂角（切眼侧）7164.571.573706679.6 5669断裂角（停采侧）68565371 66.56572.55163图1采场上覆岩层冒落形态112煤采完覆岩移动稳定后断裂角见表3。从表3中可以看出：表3112煤采完覆岩移动稳定后断裂角（单位：度）模型编号1568平均断裂角（切眼侧） 75 57 57.5 74.5 66断裂角（停采侧）6951586360a、无论是综放开采还是普采（112煤为普采），岩层在切眼侧的断裂角要大于停采侧的断裂角，其值约为6左右（见表2、表3）。b、放顶煤开采条件下切眼侧和停采侧的断裂角要比普通开采条件下相应切眼侧和停采侧的断裂角大3左右（见表2、表3）。原因主要是：它与煤层的开采厚度和开采方向有关；还与煤层顶板的初次跨落（以岩梁形式垮落）和周期跨落（以悬臂梁形式垮落）形式不同有关。另外，上述断裂角的值偏大（一般在60左右），这主要是所采煤层厚度较大，且上覆岩层偏软造成的；模型8在切眼侧的断裂角达79.6、停采侧达72.5比其它模型大，除以上原因外，还与它的顶板较破碎有关。2.2放顶煤开采条件下的冒裂带高度随着放顶煤工作面的推进，采空区上方岩层冒落裂隙带的高度也随之增大，当工作面推进一定距离后，冒落裂隙带高度不再向上发展，而是稳定在一定高度（表4），裂隙带高度是影响岩层与地表移动和确定离层注浆位置的重要因素，研究裂高具有实际意义。131煤采完覆岩移动稳定后冒落裂隙带的高度与厚煤层分层开采条件下的冒裂带高度计算值1相比较见表4。冒裂带高度与采厚关系曲线见图2。 表4放顶煤条件下冒裂带高度（单位：m）模型编号1345678910131煤厚10.77.08.0 8.68.68.68.64.0 4.0冒裂高度 89 72 84 7485828749.550计算裂高756266696969695050图2冒裂带高度与采厚关系曲线根据回归分析，放顶煤条件下的冒裂带高度与采厚关系可用下式表示：H1i39ln（M）35（m）（M为煤层采厚，单位：m）；例如，采厚8.1m时，裂高H1i79m，这与淮南市煤电公司新集矿的实际观测资料（两个裂高孔观测，采厚6.210m，实测最大裂高为83.94m5）的结果是基本一致的。还可以看出：放顶煤条件下的冒裂带高度要比厚煤层分层开采条件下的冒裂带高度大17左右，而不是线性成倍增长（其最大裂高基本为单分层（3m）裂高44m的2倍）。这个原因可以通过下面定性分析加以说明。例如煤层采厚M，岩层厚度为mi，从煤层上方第一岩层开始1，2，n1为冒落带，碎胀系数为km；n1+1,n2为裂隙带，碎胀系数为k1；n2+1为离层或弯曲下沉带。裂隙带最上层n2+1岩层下方的自由空间高度可表示为H（n21）。在放顶煤开采条件下，由于一次开采厚度较大使得冒落带的高度也较一般大，如果冒落岩石的碎胀系数km一定，将使上述括号内第一项的值较一般大。在裂隙带中岩层断裂时的旋转角也较大，从而使断裂岩块之间形成的缝隙也较大，使裂隙带的岩石膨胀系数k1较一般为大，上述括号内第二项的值也增大。则使H（n2+1）的值变小，遏制了冒裂带高度向上发展。2.3尖灭硬岩层对下沉曲线的影响厚硬岩层在岩层移动过程中像托板一样起着控制作用2，在实际地质条件下厚硬岩层赋存厚薄不一定均匀，还可能尖灭，尖灭硬岩层（如砂岩）同样在岩层移动过程中起着一定控制作用。如模型1放顶煤开采131煤时，在煤层顶板右侧和距煤层60m高处各有一尖灭细砂岩体（见图3），随着工作面推进，该砂岩体出现悬臂梁（或悬臂板）形式，当其内部的附加应力达到临界值时砂岩体断裂破坏；当工作面推进200m时，由于60m处砂岩体还没有完全断裂，托控着上覆岩体，使下沉曲线变的较平缓（见图3“200m”曲线），而当工作面推进285m时该砂岩体断裂稳定后下沉曲线较陡（见图3“285m”曲线），还可以看出该曲线在切眼上方有一定下沉，而在停采线上方的下沉很小，这说明下沉曲线的两翼是不对称的，原因是尖灭砂岩体对其上覆岩层有一定的托控作用，从而使下沉曲线的两翼出现不对称性。图3131煤上方100m处岩层下沉曲线2.4顶板岩性对岩层移动的影响模型5、6、7、8的地质采矿条件基本相似，所不同的是模型5为完整顶板；在模型6和模型7的煤层顶板约20m范围内每隔1520m分别切有“”、“”的裂隙为块裂顶板；模型8顶板在此范围内切的更加破碎为碎裂顶板，意在研究煤层顶板破碎程度对岩层移动的影响。在距131煤顶板约100m处的最大下沉值见表5。表5模型5、6、7、8的最大下沉值模型编号最大下沉值（mm）煤层顶板破坏程度53593完整顶板65517 块裂顶板75734 块裂顶板85802 碎裂顶板可以看出完整顶板的下沉值较小，块裂顶板和碎裂顶板的下沉值较大。原因是在放顶煤开采条件下完整煤层顶板冒落后尚能形成较大块状，使得冒落岩石的碎胀系数较大，从而有效地充填采空区遏制了上覆岩层移动；而块裂顶板时由于煤层一次开采厚度较大，冒落的岩块活动剧烈，使本来比较破碎的顶板岩块冒落后更加破碎，碎胀系数较小；碎裂顶板冒落后更是如此，从而使得它们的下沉值较大。模型6和模型7的下沉值也有区别，因为模型6的顶板切有“”裂隙，开采后在切眼处顶板出现一定悬臂，即顶板不充分冒落，对上覆岩层移动有一定的控制作用；模型7的顶板切有“”裂隙，在此处顶板不出现这种悬臂，即顶板冒落较充分，而在采空区另一侧二者则主要受上覆尖灭砂岩体的影响，使顶板裂隙影响不明显，这样就使模型7的最大下沉值大于模型6的最大下沉值。3主要结论根据以上分析可得以下主要结论，为在放顶煤开采条件下的岩层移动研究提供了一定的参考。a放顶煤开采条件下开切眼侧的岩层断裂角（平均69）比停采线侧的岩层断裂角（平均63）大6左右。b放顶煤开采条件下的冒裂带高度要比厚煤层分层开采条件下的冒裂带高度大17