郭從軍 南存全 王 東(遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

近距離煤層覆巖移動相似材料模擬

郭從軍 南存全 王 東(遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

為了研究近距離煤層覆巖移動和離層發(fā)育規(guī)律，通過相似材料模擬試驗，模擬了近距離煤層下行開采時覆巖移動過程；應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法對位移測點進行測量，獲得了測點位移數(shù)據(jù)；應(yīng)用聚類分析對測點進行分類，得出受采動影響的三帶的具體范圍。分析了測點的位移過程，得出測點位移特點具有連續(xù)性和突變性；采動影響范圍的擴展特點為橫向擴展、縱向延伸；下煤層開采時巖層最大位移點滯后工作面的距離縮短；上煤層開采時的離層量轉(zhuǎn)化為下煤層開采時的垮落量。分析了離層擴展，得出離層擴展方向為橫向擴展、縱向延伸，經(jīng)歷了發(fā)育—擴張—突變—閉合的過程；發(fā)現(xiàn)行、列測線離層率曲線均呈雙駝峰狀。對行測線，分析了離層率曲線成因和峰值點大小關(guān)系、位置變化，得出上部巖層相對下部巖層峰值點內(nèi)錯，峰值點位于斷裂線附近，波谷位于采空區(qū)中部；對于列測線離層率曲線，得出峰值點為離層位置，峰值點左側(cè)為離層閉合區(qū)，右側(cè)為離層發(fā)育區(qū)，峰值點右側(cè)波谷為關(guān)鍵層位置，峰值點隨煤層開采不連續(xù)右移，具有跳躍性。給出了來壓時刻的判別方法，發(fā)現(xiàn)采動影響區(qū)測點位移曲線上存在外包絡(luò)線；給出關(guān)鍵層的識別方法，得出下煤層開采時關(guān)鍵層位置上移。

近距離煤層 覆巖移動 聚類分析 數(shù)字圖像相關(guān) 離層 關(guān)鍵層

近距離煤層下行開采時，上部煤層開采后上覆巖層形成三帶[1](冒落帶、斷裂帶、彎曲帶)，下部煤層開采時上覆巖層結(jié)構(gòu)已發(fā)生變化，因此，巖層移動和礦壓顯現(xiàn)對于單一煤層開采既有相似之處，又有所差異。然而，人們對近距離煤層巖層移動的認識多以單一煤層開采時巖層移動規(guī)律進行參考。滕永海等[2]對覆巖離層發(fā)育進行了研究，得出巖層移動達到最大下沉速度時離層迅速發(fā)育，巖層移動達到最大負曲率時，離層完全形成的結(jié)論；馮國瑞等[3]得出巖層下沉隨工作面推進呈現(xiàn)整體移動的偏態(tài)性特點；朱濤等[4]對極近距離煤層下層煤工作面直接頂巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了力學分析，揭示了下層煤開采時端面頂板冒落的機理。

煤層開采后，對于三帶的劃分[5]沒有較好的依據(jù)，往往僅憑對實驗中巖層垮落的直觀判斷；對于來壓時刻[6]的判斷，只是依據(jù)來壓穩(wěn)定后巖層移動結(jié)果來確定，因此明顯滯后于來壓時刻；對于關(guān)鍵層的確定，多利用公式進行理論計算[7]。本研究結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法對位移測點進行測量，利用聚類分析對測點進行分類，在此基礎(chǔ)上，分析了巖層移動的特點、離層分布特點，給出了關(guān)鍵層的2種判別方法。

1 相似材料模擬

相似材料模擬是根據(jù)蘇聯(lián)學者庫茲涅佐夫所提出的相似理論所形成的一種實驗?zāi)M方法[8]，1937年首次在前蘇聯(lián)全蘇礦山測量科學研究院用于巖層與地表移動的研究問題[9]。

1.1 地質(zhì)條件

本次研究實驗原型為中煤平朔井工二礦9煤和11煤。1103采面設(shè)計長度300.5 m，推進長度1 500 m，煤層傾角2°～3°，煤層厚度3.26～6.31 m，平均厚度4.87 m。該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，主要為單斜構(gòu)造。11號煤層結(jié)構(gòu)簡單，由2～3個煤分層組成，煤層賦存穩(wěn)定，采用大采高綜采開采。11號煤層與上部9號煤層層間距4.79～11.1 m，平均8.19 m，中間夾厚度約0.5 m的10號煤層。9煤為全井田最厚煤層，平均厚度13.60 m，平均埋深323.2 m，采用綜放開采。11煤以上地層總厚度為290～310 m。

1.2 相似參數(shù)的確定

采場上覆巖層移動、變形、破壞的基本作用力是壓力和拉力，破壞形式為剪切和拉斷；同時上覆巖層的變形與彈性模量、泊松比有關(guān)。因此在研究巖層變形破壞時，選取抗拉強度σt、抗壓強度σc、黏聚力c、彈性模量E、泊松比μ作為主要指標。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和試驗臺的尺寸，本實驗選取幾何相似常數(shù)αl為200，密度相似常數(shù)αγ為1.8。時間相似常數(shù)ατ為14，應(yīng)力相似常數(shù)ασ、黏聚力相似常數(shù)αc、彈性模量相似常數(shù)360，泊松比、內(nèi)摩擦角相似常數(shù)均為1。

1.3 材料選擇

根據(jù)實驗的需要及巖層的物理力學性質(zhì)，選擇石英砂作為骨料；石灰、石膏作為膠結(jié)物；硼砂作緩凝劑。相似材料配比見表1。

表1 巖層及材料配比Table 1 Rock stratum and materials mixing ratio

1.4 測點布置

為觀測模型上巖層移動變化情況，實驗中共布置了29列、10行位移測線，行列測線交叉處為測點初始位置，其中第3、7行不設(shè)測點，測點布置見圖1。

圖1 位移監(jiān)測點布置及聚類結(jié)果

1.5 測點觀測

采用數(shù)字圖像相關(guān)方法[10]對布置的測點進行觀測，將物體表面隨機分布的斑點或人工散斑場作為變形信息載體，是一種對結(jié)構(gòu)表面在外載荷作用下進行全場位移和應(yīng)變分析的實驗力學方法。其基本原理是通過分析試件表面變形前后的散斑圖像進行圖像匹配，確定試件表面上幾何點的運動情況，進而得到應(yīng)變場。它具有非接觸、全場瞬時測量、測量精度高、光路簡單、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點。

2 巖層移動及礦壓現(xiàn)象

2.1 上煤層開采

9煤層右區(qū)903工作面開時，當工作面推進總長為20.6 cm時，工作面頂板垮落，當工作面推進總長為42.2 cm時，初次來壓。工作面推進全長106.9 cm，開采期間共有6次周期來壓，來壓步距2.4～15.4 cm，平均值為10.8 cm。巖層斷裂線左側(cè)50.7～55.2°，平均值為52.4°；右側(cè)45.9～54.8°，平均值為51.2°。

9煤層左區(qū)904工作面開采時，當工作面推進總長為17 cm時，工作面頂板垮落；當工作面推進總長為37.3 cm時，初次來壓。工作面推進全長101.9 cm，開采期間共有5次周期來壓，來壓步距6.4～20.7 cm，平均值為12.9 cm。巖層斷裂線左側(cè)47.4～57.9°，平均值為54.5°；右側(cè)59.5～75.5°，平均值為63.1°。

2.2 下煤層開采

下煤層開采時各次來壓情況見圖2。

2.2.1 采空區(qū)外側(cè)開采

當工作面推進總長為22.7 cm時，煤柱內(nèi)來壓，出現(xiàn)臺階下沉，裂隙帶高度62 cm，巖層垮落3層，巖層斷裂線在工作面上方，貫通至第6行測線上方，巖層斷裂角右側(cè)57.5°。

2.2.2 采空區(qū)下開采

當工作面推進總長為57.2 cm時，采空區(qū)初次來壓，裂隙帶高度62 cm，巖層斷裂線在工作面前方，巖層斷裂角左側(cè)76.4°，右側(cè)56.2°。

圖2 下煤層開采來壓情況

當工作面推進總長為75.2 cm時，采空區(qū)第1次周期來壓，巖層斷裂線在工作面前方，巖層斷裂角左側(cè)67.7°。

當工作面推進總長為126.4 cm時，采空區(qū)第2次周期來壓，工作面頂板破碎嚴重，裂隙帶高度67.3 cm，離層量2.9 cm，懸露長度43.9 cm，巖層斷裂線在工作面前方，巖層斷裂角左側(cè)56.3°，右側(cè)59.8°。

2.2.3 煤柱下開采

當工作面推進總長為136.7 cm時，煤柱下來壓，出現(xiàn)臺階下沉，巖層斷裂線在工作面后方，離層擴展到第6行測線上方。

3 實驗現(xiàn)象及分析

3.1 位移測點的聚類分析

3.1.1 聚類原理

實驗發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的測點具有不同的運動特點，而一定區(qū)域的測點運動特點相似，因此可以根據(jù)測點隨時間的運動情況對測點進行聚類，劃分出采動影響強弱的區(qū)域。本研究采用系統(tǒng)聚類法進行聚類分析。

其基本原理是:開始將n個對象各自作為1類，并規(guī)定對象之間的距離和類與類之間的距離，然后將距離最近的2類合并成1個新類，計算新類與其他類之間的距離；重復(fù)進行2個最近類的合并，每次減少1類，直至將所有的對象合并為1類。

3.1.2 聚類結(jié)果

將位移點分為12類的聚類結(jié)果見圖1，位移點分類從12類到2類的結(jié)果見圖3。對選擇的156個測點進行聚類后，發(fā)現(xiàn)位移測點具有明顯的區(qū)域分布特性：a、g、l類測點位于右區(qū)垮落帶，c、b、d類測點位于左區(qū)垮落帶；i、b、d、j類測點位于右區(qū)裂隙帶，d、e類測點位于左區(qū)裂隙帶；f、h類測點位于兩側(cè)的彎曲下沉帶；k類測點位于上位彎曲下沉帶。另外煤柱上的測點為d、e類測點。

圖3 位移測點聚類樹狀圖

可見對位移測點進行聚類分析后，結(jié)合測點的空間位置，可以較為準確地確定采動影響產(chǎn)生的垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的區(qū)域。

3.2 采動影響范圍擴展方向

水平方向，隨工作面推進，采動影響的范圍表現(xiàn)出橫向擴展的趨勢。受采動影響初期，行測線的下沉曲線呈波浪狀；充分采動后，下沉曲線呈拋物線狀。從工作面推進方向看，巖層最大位移點滯后工作面一定距離，而下煤層開采的滯后距離明顯小于上煤層開采的滯后距離。說明巖層在重復(fù)采動下，穩(wěn)定性降低，易于垮落。

豎直方向，隨工作面推進，采動影響的范圍表現(xiàn)出從下向上縱向延伸的趨勢，不同高度測點位移量具有明顯差異，下層測點位移量大于上層測點。測點位移具有連續(xù)性和突變性的特點：測點位移量經(jīng)歷了從緩慢增長到劇烈突變再到緩慢增長的過程。第23列測線位移見圖4。當下部巖層垮落或兩巖層間出現(xiàn)離層時，上部巖層在自重作用下彎曲下沉，位移量緩慢增大；當達到極限強度時，巖層斷裂垮落，位移量劇烈增大；斷裂巖層與下位巖層接觸后，在支持力作用下，位移量增速變緩，并逐漸穩(wěn)定。

雖然11煤采高(2.35 cm)小于9煤采高(6.8 cm)，但各測點位移量明顯大于9煤開采時測點位移量。說明下煤層開采時，受上煤層采動影響，原有裂隙和離層有較大發(fā)育，巖層結(jié)構(gòu)破壞加劇，9煤層開采時巖層離層量轉(zhuǎn)化為11開采時的垮落量。

3.3 離層擴展

離層擴展趨勢為橫向擴展、縱向延伸。豎直方向，離層發(fā)展經(jīng)歷了發(fā)育—擴張—突變—閉合的過程。煤層開采后，直接頂懸露，在重力的作用下彎曲下沉，巖層間產(chǎn)生微小的離層；隨時間推進，離層發(fā)育，離層量不斷變大，首先在巖層兩側(cè)上隅角處產(chǎn)生微裂隙；當巖層達到極限強度時，微裂隙貫通，導致巖層斷裂并劇烈下沉。上部巖層重復(fù)下部巖層離層發(fā)育的過程，當上部巖層斷裂接觸下部巖層后，下部巖層在壓力作用下不斷閉合，上部巖層離層較為發(fā)育。

圖4 第23列測線位移

采用離層率(上下相鄰測點的位移差值與兩測點的原始距離之比)來描述離層程度，它反映了離層發(fā)育后增加的長度占離層發(fā)育前總長度的百分比。

水平方向離層率變化見圖5(a)，上煤層開采時，對于同一層巖層，離層率表現(xiàn)出兩側(cè)高，中間低的雙駝峰狀，開切眼一側(cè)峰值點位置基本不變，另一峰值點隨工作面推進向停采線方向移動；對于不同巖層，上部巖層的峰值點在下部巖層峰值點內(nèi)側(cè)，并且開切眼一側(cè)上部巖層離層率峰值小于下部巖層；停采線一側(cè)正好相反。兩側(cè)峰值點出現(xiàn)的原因為該測點位于巖層左右斷裂線附近，離層高度發(fā)育；而中部離層率較小，是因為巖層離層后受上部垮落巖層擠壓，造成離層重新閉合。開切眼一側(cè)離層率峰值點位置不變，并且下部巖層離層率峰值大于上部，原因為開切眼一側(cè)巖層斷裂線位置基本不變，下部巖層受采動多次影響，離層發(fā)育逐漸充分，而上部巖層剛受采動影響，離層較小；停采線一側(cè)現(xiàn)象的原因則正好相反，巖層斷裂線沿推進方向移動，下部巖層垮落，而上部巖層離層較為發(fā)育。

下煤層開采時見圖5(b)，對于同一層巖層，相對于上煤層，左側(cè)峰值點位置不變，右側(cè)峰值點外移；對于不同巖層，開切眼一側(cè)上部巖層離層率峰值大于下部巖層；停采線一側(cè)正好相反。主要原因為，下煤層開采時開切眼處產(chǎn)生新的斷裂線，并且位置保持不變，離層在上煤層開采基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展上移，而下部巖層受壓，離層趨于閉合。左側(cè)峰值上大下小的原因與上煤層開采時一致。

圖5 離層率變化

豎直方向，上部煤層開采時，離層率曲線呈兩峰三谷的雙駝峰狀，見圖5(c)。峰值點左側(cè)為離層閉合區(qū)，右側(cè)為離層發(fā)育區(qū)，峰值點為離層所在位置。左峰值點巖層先經(jīng)歷離層而后垮落壓實，離層上移后產(chǎn)生新的右峰值點，峰值點隨工作面推進向右移動，但并不連續(xù)，而具有跳躍性(如從行2移到行5)。

由關(guān)鍵層理論[11]，離層點上位巖層為關(guān)鍵層所在位置，即關(guān)鍵層位于峰值點右側(cè)的波谷區(qū)域(行4和行6～8)，由于上部巖層隨關(guān)鍵層隨動[12]，關(guān)鍵層處離層率較小。峰值點右側(cè)離層發(fā)育區(qū)曲線呈遞減趨勢，主要因為下部巖層垮落規(guī)則性相對上部巖層較差，導致巖層間存在小的結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵層的存在也是一個原因，上部巖層隨關(guān)鍵層隨動，離層率較小。

下部煤層開采時，離層率整體變大，右側(cè)峰值點外移，第8行測線所在位置成為關(guān)鍵層。離層率整體變大，主要原因為覆巖在重復(fù)采動下，裂隙、離層再次發(fā)育，巖層結(jié)構(gòu)變得松散；右側(cè)峰值點外移，則是離層向上擴展的結(jié)果。

3.4 來壓判別

對于相似材料模擬實驗，通常來壓判別的方法為目測，根據(jù)觀察采動后上覆巖層大范圍的垮落進行確定。實際上來壓時巖層并未有較大范圍移動，而先表現(xiàn)出巖層移動速率突然變大，此時通過目測很難確定是否來壓。結(jié)合測點聚類分析結(jié)果、測點位移曲線、巖層斷裂線和垮落情況進行綜合分析可較為準確地確定來壓時刻。

首先根據(jù)聚類分析結(jié)果和工作面推進位置，確定采動影響范圍；然后分析采動影響范圍內(nèi)測點的運動情況，由來壓前巖層移動速率突然變大，來壓后巖層有較大范圍移動的特點可以確定來壓時刻；最后結(jié)合垮落情況驗證推斷。

3.5 關(guān)鍵層識別

由關(guān)鍵層的變形特征和破斷特征[12]可知：關(guān)鍵層下沉變形時，將引起其上覆全部或局部巖層下沉來量同步協(xié)調(diào)，關(guān)鍵層的破斷將導致全部或上覆巖層的同步破斷，引起較大范圍內(nèi)的巖層移動。因此關(guān)鍵層的識別可以根據(jù)多組巖層的移動是否具有隨動性來判別，反映在測點位移曲線上，表現(xiàn)為存在外包絡(luò)線，包絡(luò)線下方曲線與包絡(luò)線近似平行，具有良好的隨動性，測點位移量從一個穩(wěn)定值迅速上升，并持續(xù)穩(wěn)定。

圖6 9煤右區(qū)4～6行測線位移

9煤右區(qū)開采時，上方5～6行測線所在巖層隨第4行測線所在巖層垮落后同步移動，見圖6；9煤左區(qū)開采時，上方5～6行測線所在巖層隨第4行測線所在巖層垮落后同步移動；11煤開采時，上方9～10行測線所在巖層隨第8行測線所在巖層垮落后同步移動，具有明顯的隨動特性。

因此，9煤開采時關(guān)鍵層為第4行測線所在巖層，11煤開采時，第4行測線所在巖層因重復(fù)采動導致裂隙發(fā)育、承載性能降低而垮落，關(guān)鍵層上移為第8行測線所在巖層，這與前文3.3中根據(jù)列測線離層率曲線分析的結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)應(yīng)用聚類分析對測點進行分類，結(jié)合測點的位置，可以得出采動影響的三帶的具體范圍。

(2)測點位移特點具有連續(xù)性和突變性；采動影響范圍的擴展特點為橫向擴展，縱向延伸。下煤層開采時巖層最大位移點滯后工作面的距離縮短；上煤層開采時的離層量轉(zhuǎn)化為下煤層開采時的垮落量。

(3)行、列測線離層率曲線均呈雙駝峰狀。

(4)對于行測線離層率曲線，上部巖層相對下部巖層峰值點內(nèi)錯，峰值點位于斷裂線附近，波谷位于采空區(qū)中部。上煤層開采時，開切眼一側(cè)峰值點下大上小且位置固定，停采線一側(cè)峰值點上大下小且沿推進方向移動；下煤層開采時相對上煤層，左側(cè)峰值點位置不變，右側(cè)峰值點外移，大小關(guān)系與上煤層開采時結(jié)論相反。

(5)給出關(guān)鍵層的識別方法，發(fā)現(xiàn)采動影響區(qū)測點位移曲線上存在外包絡(luò)線，包絡(luò)線下方曲線與包絡(luò)線近似平行，具有良好的隨動性，可作為關(guān)鍵層的標志。

(6)根據(jù)行測線位移曲線、列測線離層率曲線分別對關(guān)鍵層進行分析，得出一致的結(jié)論：上、下煤層開采時關(guān)鍵層分別在第4、8行測線附近，下煤層開采時關(guān)鍵層位置上移。

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(責任編輯 徐志宏)

Similar Material Simulation Experiment on Overburden Rock Movement of Close-distance Coal Seams

Guo Congjun Nan Cunquan Wang Dong(CollegeofMiningEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

In order to study the law of overburden rock movement and bed separation development in close distance coal seams，the movement of overburden rock when downward mining of close distance coal seams is simulated through similar material simulation experiment.The digital image correlation method is applied to measure displacement points and obtain displacement data of the measured points.The cluster analysis is used to classify the measured points and obtain the specific scope of the three zones under mining influence.According to the analysis on the displacement process of measured point，it has a feature of continuity and mutability.The expansion of the mining influence scope is in lateral spreading and vertical extension; When lower coal seam is explored，the maximal displacement point is behind the shortening distance of working face.Bed separation during upper coal seam mining is transformed into caving at lower coal seam mining.By analyzing the extension of the bed separation，it is concluded that the direction of the bed separation is in vertical and horizontal extension，and experiences the process of development-expansion-mutation-close.It is found that the bed separation rate curve of the row and column survey line is in double-humped shape.On row survey line，the causes for bed-separation rate curve，peak point size relations，and position change are analyzed，it is concluded that the peak point of the upper rock stratum are in internal displacement with that the lower rock stratum，the peak point nears to the fracture line，and the trough is located in the middle of goaf.From bed separation rate curve of the column survey line，it is obtained that the peak point is in bed separation.The closed area of bed separation is on the left of peak，and the development area is on the right.The trough on the right side of peak point is the position of key stratum; Peaks discontinuously moves and leaps to the right with coal seam mining.The discriminant method for weighting moment is given，finding that outer envelop curve exists on displacement curve of measuring point on mining influence zone.The identification method for key stratum is given，obtaining that the position of key stratum move up during lower coal seams mining.

Close-distance coal seams，Overburden rock movement，Cluster analysis，Digital image correlation，Bed separation，Key stratum

2014-09-19

國家自然科學基金項目( 編號：51104084)。

郭從軍(1986—)，男，博士研究生。

TD 325.1

A

1001-1250(2015)-01-010-06