浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究

1、 论文期刊：论文期刊：矿业安全与环保2010年8月， 第37卷第4期 ，P11-14 论文作者：论文作者：魏久传， 李忠建，郭建斌等浅埋煤层采动覆岩运动浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究相似材料模拟研究论文题目论文题目浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 为分析伊犁一矿首采工作面浅埋煤层采动覆岩运动特征为分析伊犁一矿首采工作面浅埋煤层采动覆岩运动特征, 进行了相似材料模拟研究。分析了直接顶破坏、老顶破坏、采进行了相似材料模拟研究。分析了直接顶破坏、老顶破坏、采动覆岩破坏高度发展等规律动覆岩破坏高度发展等规律, 并进行了切顶冒落分析。研究结果并进行了切顶冒落

2、分析。研究结果表明表明, 首采工作面具有采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大首采工作面具有采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大, 采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半等规律。采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半等规律。试验过程和理论计算均未出现切顶冒落现象。研究结果可为矿试验过程和理论计算均未出现切顶冒落现象。研究结果可为矿区首采工作面煤层安全开采提供理论依据区首采工作面煤层安全开采提供理论依据, 同时同时, 对分析其他浅对分析其他浅埋煤层安全开采覆岩运动规律具有一定的借鉴意义。埋煤层安全开采覆岩运动规律具有一定的借鉴意义。摘要摘要浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采

3、动覆岩运动相似材料模拟研究 随着我国能源基地的西移随着我国能源基地的西移, 地表厚松散层浅埋煤层覆岩地表厚松散层浅埋煤层覆岩运动规律的研究为煤层安全开采提供了理论依据。地表厚松运动规律的研究为煤层安全开采提供了理论依据。地表厚松散层浅埋煤层长壁工作面相似材料模拟实验和现场矿压观测散层浅埋煤层长壁工作面相似材料模拟实验和现场矿压观测表明表明, 工作面矿山压力显现没有因煤层埋藏浅而减缓工作面矿山压力显现没有因煤层埋藏浅而减缓, 相反却相反却相当剧烈。其主要特点是工作面来压表现为煤层上覆基岩全相当剧烈。其主要特点是工作面来压表现为煤层上覆基岩全厚度切落厚度切落, 导致工作面顶板出现台阶下沉导致工作面

4、顶板出现台阶下沉, 支架压死支架压死, 造成巨大造成巨大损失。为避免此类事故发生损失。为避免此类事故发生, 利用相似材料模拟试验对伊犁一利用相似材料模拟试验对伊犁一矿首采工作面煤层上覆岩层运动规律进行研究矿首采工作面煤层上覆岩层运动规律进行研究, 为煤层安全开为煤层安全开采提供依据。采提供依据。浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 伊犁一矿首采工作面位于井田东一采区中南部伊犁一矿首采工作面位于井田东一采区中南部, 总体上为一总体上为一走向近东西、向北倾的单斜构造。地层沿走向、倾向稳定走向近东西、向北倾的单斜构造。地层沿走向、倾向稳定, 区内区内目前尚未发现有

5、明显的断层。地势南高北低目前尚未发现有明显的断层。地势南高北低, 地貌为倾斜平原地貌为倾斜平原; 水文地质为山前垄岗状倾斜平原潜水、承压水水文地质区水文地质为山前垄岗状倾斜平原潜水、承压水水文地质区; 首采首采工作面所在区域内地表水受控于南山水系工作面所在区域内地表水受控于南山水系, 流经本区对地下水有流经本区对地下水有影响的河流为琼博拉萨依沟。发育的地层由老至新有影响的河流为琼博拉萨依沟。发育的地层由老至新有: 古生界石古生界石炭系、二叠系炭系、二叠系, 中生界三叠系、侏罗系、白垩系中生界三叠系、侏罗系、白垩系, 新生界第三系新生界第三系、第四系。主要含水层包括、第四系。主要含水层包括: 第

6、四系孔隙含水层、新近系孔隙含第四系孔隙含水层、新近系孔隙含水层和侏罗系裂隙水层和侏罗系裂隙) 孔隙承压含水层。孔隙承压含水层。首采工作面水文地质概况首采工作面水文地质概况模型基本参数模型基本参数 考虑现场工作面长度和研究内容考虑现场工作面长度和研究内容, 模型的几比例为模型的几比例为1：100, 推推进长度为进长度为220 m, 模型的相似条件如下模型的相似条件如下:几何相似：几何相似：1:1001:100时间相似：时间相似：1:101:10容重相似：容重相似：1:1.51:1.5弹性相似：弹性相似：1:1501:150强度相似：强度相似：1:1501:150浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研

7、究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 模型设计总高度模型设计总高度1. 5 m, 采采深深149 m, 有效试验长度有效试验长度220m。本次试块在常温下制作，试验模本次试块在常温下制作，试验模具采用具采用15 cm 15 cm 15 cm混凝土标准模具。所测试的配比混凝土标准模具。所测试的配比为为相似材料选择及模型制作相似材料选择及模型制作8:5:5, 8:6:4, 9:7:3, 每一配比制成每一配比制成3个试块。试块成型后个试块。试块成型后1 d脱模脱模, 在常温下养护在常温下养护3 d, 然后测其强度。本次试验技术

8、评价指然后测其强度。本次试验技术评价指标为单轴抗压强度标为单轴抗压强度, 采用刚性液压伺服试验机测定试块的单轴采用刚性液压伺服试验机测定试块的单轴抗压强度。抗压强度。浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 经计算经计算, 8:5:5 配比试块的试验模型强度为配比试块的试验模型强度为0. 2MPa, 与所与所做试块强度基本相同。因此做试块强度基本相同。因此, 本次所选择的配比基本上是合适本次所选择的配比基本上是合适的。的。为了便于观测采动后覆岩的运动情况为了便于观测采动后覆岩的运动情况, 在模型的表面画上网格在模型的表面画上网格线线, 横向间距横向间距10 cm

9、, 纵向间距纵向间距5 cm。为防止模拟实验台端部。为防止模拟实验台端部的影响的影响, 模拟开挖时模拟开挖时,在模拟模型的两端各留在模拟模型的两端各留40 cm, 即即40m 煤煤柱。开切眼首先从边界柱。开切眼首先从边界40 cm 处开始处开始, 沿沿5 煤顶板以下煤顶板以下2 m开开挖挖, 采高采高3 m。相似材料选择及模型制作相似材料选择及模型制作浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 本次实验直接顶初次垮落步距本次实验直接顶初次垮落步距23 m, 以后随老顶的断裂以后随老顶的断裂一起垮落一起垮落, 直接顶堆积状态。直接顶堆积状态。 直接顶的其他部分直接顶

10、的其他部分, 基本上呈规则垮落。但是直接顶的厚基本上呈规则垮落。但是直接顶的厚度和组成随工作面推进速度和工作面地质条件的变化度和组成随工作面推进速度和工作面地质条件的变化, 其厚度其厚度和组成也是不断变化的。特别当老顶下位岩层是非厚硬岩层和组成也是不断变化的。特别当老顶下位岩层是非厚硬岩层时时, 直接顶和老顶可以相互转化。当工作面推进的距离增大时直接顶和老顶可以相互转化。当工作面推进的距离增大时, 直接顶随悬垮长度的增加而垮落直接顶随悬垮长度的增加而垮落, 与其下部岩层成为一组同步与其下部岩层成为一组同步运动。运动。直接顶的破坏规律直接顶的破坏规律浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采

11、动覆岩运动相似材料模拟研究 从模拟实验可以看出随工作面推进从模拟实验可以看出随工作面推进, 离层裂隙范围增大、高离层裂隙范围增大、高度增加。当工作面开采宽度较小时度增加。当工作面开采宽度较小时, 离层裂隙角较小离层裂隙角较小; 随着工作随着工作面推进该角逐渐增大并渐趋稳定面推进该角逐渐增大并渐趋稳定, 且工作面两侧离层范围角大致且工作面两侧离层范围角大致相同。随离层裂隙范围、高度增加相同。随离层裂隙范围、高度增加, 其与工作面之间近于线性关其与工作面之间近于线性关系系, 当发育到硬岩底部时当发育到硬岩底部时, 由于厚硬岩层的支撑作用由于厚硬岩层的支撑作用, 离层裂隙不离层裂隙不再增加。在工作面

12、推进过程中再增加。在工作面推进过程中, 若岩性较软若岩性较软, 则离层裂缝发育高则离层裂缝发育高度大度大; 若岩性较硬若岩性较硬, 则离层发育高度较小。则离层发育高度较小。 发生离层的位置主要在一些厚硬岩层的底部发生离层的位置主要在一些厚硬岩层的底部, , 而在工作面推而在工作面推进过程中进过程中, , 其离层量、离层最大值位置是不断变化的。本实验中其离层量、离层最大值位置是不断变化的。本实验中老顶的初次来压为老顶的初次来压为363640 m, 40 m, 周期来压周期来压10 m10 m左右左右。老顶的破坏规律老顶的破坏规律浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟

13、研究 1) 采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大。相似材料模采动覆岩破裂高度随工作面推进而增大。相似材料模拟试验表明拟试验表明: 当工作面推进当工作面推进40 m 时时, 垮落带高度约为垮落带高度约为4. 2m; 当当工作面推进工作面推进60m 时时, 垮落带高度暂时没有发展垮落带高度暂时没有发展, 采动覆岩宏观采动覆岩宏观破裂高度约为破裂高度约为1018m; 当工作面推进当工作面推进100m 时时, 垮落带高度垮落带高度6. 4m,采动覆岩宏观破裂高度约为采动覆岩宏观破裂高度约为15. 85m; 当工作面推进当工作面推进180m 时时, 工作面已达到充分采动工作面已达到充分采动, 导水断裂带发

14、展到最大导水断裂带发展到最大, 此时垮落此时垮落带高度带高度8. 8 m, 采动覆岩破裂高度发展到采动覆岩破裂高度发展到3煤以下煤以下, 约为约为41. 35 m。采动覆岩破坏高度发展规律采动覆岩破坏高度发展规律浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 2) 采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半采动覆岩破裂高度在充分采动前约为采空区跨度之半。采动覆岩破裂高度不仅随工作面推进而增大。采动覆岩破裂高度不仅随工作面推进而增大, 而且大致呈现而且大致呈现出一种线性发展规律出一种线性发展规律, 即采动覆岩破裂高度约为采空区跨度的即采动覆岩破裂高度约为采空区跨度的

15、一半。但是一半。但是, 这一发展规律是有条件的这一发展规律是有条件的, 因为事实上采动覆岩因为事实上采动覆岩破裂高度是受工作面倾斜长度所控制的破裂高度是受工作面倾斜长度所控制的, 即一定斜长的工作面即一定斜长的工作面采动覆岩破裂高度有极大值采动覆岩破裂高度有极大值, 在采动覆岩破裂高度发展到极大在采动覆岩破裂高度发展到极大值之前值之前, 其破裂高度是受工作面推进长度控制的其破裂高度是受工作面推进长度控制的, 随工作面不随工作面不断推进而增大断推进而增大, 且破裂高度约为工作面推进长度之半。且破裂高度约为工作面推进长度之半。采动覆岩破坏高度发展规律采动覆岩破坏高度发展规律浅埋煤层采动覆岩运动相似

16、材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 基岩与载荷层厚度之比基岩与载荷层厚度之比(简称基载比简称基载比) J z = 63. 1 /53. 75 =1.17 0. 8, 一般不会出现顶板台阶下沉一般不会出现顶板台阶下沉, 故而故而不会出现切顶不会出现切顶冒落现象。冒落现象。 根据老顶根据老顶“台阶岩梁台阶岩梁”结构模型不发生滑落失稳条件结构模型不发生滑落失稳条件: :i 0.9i 0.9时时, , 不出现滑落失稳。经实际模拟观测不出现滑落失稳。经实际模拟观测, , 计算得计算得i= 0. 87 0. 9, i= 0. 87 0. 9, 故而认为不会出现滑落失稳现象。故而认为不会出现滑

17、落失稳现象。 本次模拟实验时来压期间未见有明显的顶板台阶下沉现本次模拟实验时来压期间未见有明显的顶板台阶下沉现象象, , 首采工作面不会出现切顶冒落危险。首采工作面不会出现切顶冒落危险。切顶冒落危险性分析切顶冒落危险性分析1sinsin25 . 0maxli581max，l浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究浅埋煤层采动覆岩运动相似材料模拟研究 1) 直接顶初次垮落步距约为直接顶初次垮落步距约为23 m;老顶的初次垮落步距老顶的初次垮落步距为为36 40m; 老顶周期垮落步距平均约为老顶周期垮落步距平均约为10m。 2) 采动覆岩离层是岩移过程中的普遍现象。采动覆岩离层是岩移过程中的普遍现象。 3) 3) 采动