综放开采上覆岩层运动规律相似材料模拟分析

综放开采上覆岩层运动规律相似材料模拟分析

周　英1,2,顾　明1,李化敏1,苏承东1

(11焦作工学院,河南焦作　454000;21中国矿业大学北京校区,北京　100083)

　　摘　要:以义马耿村矿二3煤放顶煤开采条件为基础,应用相似材料模拟方法,研究了开采

后上覆岩层运动的过程、变化及特点,探讨了上覆岩层运动的规律;根据模拟结果,分析了开采范围内支承压力峰值的变化及对顶煤破碎的影响。　　关键词:放顶煤开采;覆岩运动;支承压力　　中图分类号:TD82314+9;TD325　文献标识码:A　文章编号:1671-0959(2004)02-0043-03

Similarmaterialssimulationofmovinglawsanalysison

roofstratawithsublevelcavingmining

ZHOUYing1,2,GUMing1,LINHua2min1,SUCheng2dong1(11JiaozuoInstituteofTechnology,Jiaozuo454000;21ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

Abstract:BasedonconditionsofGengcuencoalmining(二3)coalwithsub2levelcavingmining.Appliedmethodofsimilarmaterialssimulation.Studiedonprocess,varietiesandcharacteristicsofmovingonroofstrataarediscussed.Onthebasisofmodel’sresults,effectsintop2coalsmash,andchangesofpeakvalueofabutmentpressurewithinminingrangeareanalyzed.Keywords:sub2levelcavingmining;roofstratamoving;abutmentpressure

0　引　言

实践证明,综采放顶煤工作面矿压显现与分层开采有明显不同[1～5],如放顶煤开采出现支架载荷不仅不增加反而减小5%～68%,载荷强度减小15%～20%,支架动载不明显,支架前柱工作阻力大于后柱,支柱载荷中心靠煤壁等[6～7]现象。近年来,针对上述问题进行了大量的理论研究,取得了重要的进展

[8～9]

裂隙发育,节理裂隙组数为两组,单向抗压强度为

102MPa,初次跨落步距为17m,老顶为3层中、细砂岩组

成,分层厚度为012～016m,总厚度1318m,单向抗压强度32614～46519MPa,初次来压步距55m,周期来压步距一般为16m,底板为炭质泥岩,厚12182m,煤层埋藏深度为133～243m,平均188m。

,然而尚不成熟。本研究通

2　试验方法及模型制作

为完成上述研究内容,本研究共制作试验了6台模型,在2000mm×2000mm×200mm的平面应力实验台上进行。主要对比不同开采条件上覆岩层的运动特点及矿压显现。采用的相似比分别为几何相似常数:Cl=lp/lm=100;容

重相似常数:Cγ=γσ=Cγp/γm=1147;强度相似常数:C

3×C106;时γ=147;动力相似常数:Cf=Cγ×Cl=1147×

过对义马耿村矿二3煤放顶煤开采的相似材料模拟研究,旨

在进一步了解在一定条件下放顶煤开采后引起的顶板(煤)结构形式的变化及过程,掌握上覆岩层的冒落及其矿压显现规律,认识顶煤的破碎和冒落机理以及支架围岩关系。

1　相似模拟的基本条件

模拟原形为耿村矿二3煤1301工作面,煤层厚度最大为

1110m,最小为714m,平均为918m,煤层倾角为9°～12°,

间相似常数:Ct=tp/tm=Ct=10。式中m,p分别表示

原形和模型;l,γ,t分别表示长度、容重、时间;σ,f分别表示强度和作用力。

模拟材料及配比计算如表1。模型在铺设过程中,首先

煤层中有夹矸4～6层,厚0105～0115m,煤层结构简单,直接顶为灰黑色泥岩,厚1101m,分层厚度011～014m,节理

　　收稿日期:2003-11-19

作者简介:周　英(1957-),男,湖北随州人,教授,主要从事采煤工艺理论和技术方面的教学与研究。

43

　研究探讨　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　2004年第2期　

根据计算,进行材料配制,并加入1%的硼砂作为缓凝剂,然后将骨料及胶结料组成的干料放入搅拌机中进行搅拌,待干料混合均匀后,加入1/7～1/11的水,待搅拌均匀后

分批装入模型,分层捣实,分层间撒入滑石粉作为煤岩层分层的层理,在刚铺好的尚未凝固的分层中切入节理裂隙,撒入滑石粉。位移测点水平测线15条,间距10cm,垂直

表1　模拟岩层一览表

序号

123456789101112131415161718

岩层名称泥岩

砂质泥岩粗砂岩砂质泥岩泥岩2-1煤细砂岩中细砂岩细砂岩泥岩2-2煤泥岩细砂岩中粒砂岩中粒砂岩泥岩2-3煤炭质泥岩

实际厚度/m

501354105219518571874108201562147131160196216414651134715111019182

模拟厚度/cm

154105219518571874108201562147131160196216414651134715111019182岩石单向抗压强度/MPa

18311158132281915136417244491631511231516815148521871571811015模拟岩石强度/kPa

122142111483961619615210288144401129912337151027418159194651932614359125102531117114

模拟材料配比砂∶石灰∶石膏

8186∶5∶57166∶7∶3619∶5∶58124∶5∶58174∶7∶38187∶7∶3613∶5∶5519∶7∶37132∶5∶58174∶7∶39102∶7∶38155∶5∶5519∶5∶55101∶7∶37119∶5∶58174∶5∶5912∶7∶3911∶7∶3

　　注:γm=117t/m3,γl=215t/m3,Cl=1/100,设计总高度为113m,采深260m。

测线10条,间距10cm;力传感器布置在模型中部,煤层上方5cm处。模型测点布置结束后,在模型前面用5mm厚有机玻璃作为保护挡板,模型后部用薄钢板作为保护挡板。模型高度为1125m,相当于模拟地层125m,其余上部地层重量靠杠杆外加荷载。

对顶煤具有明显的破碎作用,或者说这一过程是顶煤破碎的主要动力来源之一。当推进到距开切眼70m时,垮落波及到二3煤以上210m处,垮落高度达到24m,为采出高度的217倍。

此后,随着工作面不断推进,煤层上覆的直接顶呈周期断裂,步距为615m,上部老顶也呈现“稳定—失稳—再

稳定—再失稳”的周期性过程。(中粒砂岩)断裂步距为21～26m。

由模拟过程可以看出,工作面上部厚约1m左右的直接顶常贴近顶煤,随顶煤的冒落而垮落,上覆老顶在支承压力的作用下弯曲下沉,并产生较大的回转角度,当达到老顶的弯曲极限时老顶断裂,其断裂位置不在支架上方,而多深入煤体内部2～3m左右,老顶平均回转角可达到8°～

9°,在这一过程中支架上方的顶煤破碎垮落,能量释放,

3　放顶煤开采上覆岩层运动和矿压显现规律311　模拟的主要参数及上覆岩层的运动特点

模拟模型的有效试验长度为200m,为防止模拟实验台端部的影响,模拟开挖时,在模拟模型的两端各留25cm,即25m煤柱,开切眼首先从边界25m处开始,沿二3煤底板开挖,采高为216m,每次向前推进214m,放顶煤厚度为712m。

当工作面开始回采后,由于周围边界的约束作用,工作面向前推进1315m时顶煤开始垮落,垮落长度913m,当推进1519m时,顶煤全部垮落,此后随工作面的推进,顶煤随采随落。当推进到距开切眼52m时,715m厚的砂岩层初次垮落,垮落角约60°,垮落长30m,试验中发现,此时工作面压力明显增大,顶煤破碎明显,煤壁出现较大塑性区,并有局部片帮出现,顶煤容易放出。随工作面的继续推进,上覆岩层出现下沉、弯曲和垮落,由于工作面顶煤的放出,采空区自由空间增大,冒落的下位岩层充填采空区的过程中,矸石有向采面反转的现象。上位未脱离岩体的老顶岩层在下沉过程中出现回转现象,在其回转过程中

产生让压从而对工作面起到了一定程度的保护作用。

上覆岩层的充分采动角为60°,开采后老顶的最终下沉量为412m,为采高的4516%,在模型最上部煤层上覆

13315m处,最大下沉量为314m。

312　上覆岩层的位移

以第8条垂直测线与第4、6、8条水平测线的交点,即模型中部的三个测点,1号测点距煤层顶板818m,2号测点距煤层顶板1818m,3号测点距煤层顶板2818m,绘出三个测点随工作面相对位置的变化岩层的位移观测数据。对应的顶板岩层位移如图1。

44

　2004年第2期　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　　研究探讨　

由图1可以看出,工作面顶板岩层水平移动从煤壁前方50m开始初动,50～5m段水平移动较缓,从工作面前方

5m至工作面后方215m水平移动开始明显增大,工作面后

4　顶煤破碎与支承压力的关系

支承压力峰值系数小于115前,煤壁及前方煤体未出现明显的新裂隙及原生裂隙的扩展,当支承压力峰值系数大于115后,从煤壁上方开始有裂隙扩展出现,当支承压力峰值系数接近2时,煤壁上方3m以内的煤体裂隙明显,其裂隙延展方向由上至下大致为75°～80°,并有树枝状分叉现象,当峰值系数大于2以后,裂隙范围有所扩大,煤壁附近裂隙的树枝状分叉延展并部分贯通,在峰值系数达到213时,有煤壁上方煤体出现局部垮落及片帮现象,可见裂隙范围在煤层上部最大可达到10～12m。

方15m以后,水平移动基本稳定。与水平移动对应的垂直移动从工作面前方40m处开始初动,从工作面前方5m至工作面后方215m,垂直移动开始逐渐增加,工作面后方

215～15m,垂直位移急剧增加,15m后位移增加较缓并逐

渐趋于稳定。

5　结　语

1)工作面顶煤的初次垮落步距为1315m,1519m后随

采随落;老顶初次垮落步距为52m,周期垮落步距为21～

26m。

2)老顶前方断裂位置在煤壁前上方2m处,老顶平均

回转角8°～9°,老顶回转过程中产生的动压是顶煤破碎的图1　顶板岩层位移曲线

主要动力之一。同时,由于这一过程中能量转化为顶煤的破碎,这也是顶煤下部工作面矿压显现较小的主要原因。

3)工作面上覆岩层移动分为4个阶段:①工作面前方大于5m为工作面顶板岩层初始移动阶段;②5～-215m为顶板岩层移动稳定增加阶段;③-215～-15m为顶板位移急剧增加阶段;④-15m后为顶板岩层位移逐渐趋于稳定阶段。水平位移较垂直位移初动提前10m;在工作面前方至工作面后方215m处,水平位移略大于垂直位移,之后垂直位移开始明显大于水平位移。

4)工作面初次来压后,支承压力峰值系数在118～213之间波动;顶煤裂隙的产生和扩展与支承压力有关,在耿村矿1301工作面条件下,顶煤开始产生的裂隙条件是支承压力峰值系数K>115。

图2　工作面支承压力峰值系数分布

图3为工作面推进80m时,根据布置在距煤层顶板

818m内的压力传感器观测的工作面支承压力分布情况。可

313　支承压力分布特点

在工作面开采初期顶板岩层悬顶长度较小,支承压力峰值较小,随着工作面的推进,悬顶长度逐渐增大,支承压力随之增大,以后逐渐趋于稳定,如图2。工作面开采40m后,支承压力峰值系数在118～213之间变化,峰值系数的波动与顶板岩层的周期性垮落有关,当岩梁岩层悬顶较长时,峰值系数增加,当悬顶垮落后,峰值系数减小。

参考文献:

[1]　曹胜根,钱鸣高,刘长友,等.采场支架围岩关系新研究

[J].煤炭学报,1998,23(6):575～579.

[2]　钱鸣高,何富连,王作棠,等.再论采场矿山压力理论[J].

以看出,支承压力影响范围波及到工作面前方70m,峰值在工作面前方15m左右处,支承压力峰值系数超过115,严重影响范围在工作面前方715～20m内。

中国矿业大学学报,1994,23(3):1～9.

[3]　宋振骐,赵经彻,陈立良.关于综采放顶煤安全开采问题的

认识[J].煤炭学报,1995,20(4):256～360.

[4]　宋振骐,赵经彻.放顶煤开采岩层移动和矿山压力控制[C].

2000年综采放顶煤与安全技术研讨会论文集,19～26.

[5]　李化敏,周英,翟新献.放顶煤开采顶煤变形与破碎特征

[J].煤炭学报,2000,25(4):252～255.

[6]　吴健.综放采场支架—围岩关系的新概念[C],2000年综采

放顶煤与安全技术研讨会论文集,27～35.

图3　支承压力分布

[7]　李化敏,周英,苏承东.放顶煤开采支架受力测试与分析

[J].山东科技大学学报,2000,19(2):97～100.

(责任编辑　马光辉)

45