曹培喜，楊本水

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022)

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朱集礦采動上覆巖層活動演化規(guī)律相似模擬研究

曹培喜，楊本水

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022)

摘要：以朱集礦工作面開采技術(shù)條件為背景，建立了工程地質(zhì)模型，采用相似模擬實驗，研究了工作面開采后，上覆巖層變形移動及裂隙分布演化特征，獲得了采動巖層破斷垮落及位移特征參數(shù)，以及與工作面推進度的相互作用關(guān)系，為留巷位置的合理確定、上行開采可行性等工程實踐提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：覆巖變形；裂隙；垮落；模擬實驗

0引言

我國屬于礦產(chǎn)資源大國，伴隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，煤礦的開采日益擴大，開采區(qū)上覆巖層逐漸失穩(wěn)，平衡條件破壞嚴重，導致巖層移動、變形、破壞，甚至塌落。進而全國各大煤礦開采區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模、大范圍的采空塌陷區(qū)，占地規(guī)模龐大，給人民生產(chǎn)、生活，以及環(huán)境帶來了嚴重地災害。近些年來，這些問題引起了我國從事開采沉陷和采礦界專家的重視，先后進行多項實驗研究，取得了一定的研究成果和經(jīng)驗[1-4]。但是從研究成果來看，此項技術(shù)還沒有形成一個完整的技術(shù)體系，同時研究上覆巖層活動演化規(guī)律，對控制地表沉陷、環(huán)境保護、煤炭開采的可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。因此，本文采用相似模擬實驗對朱集煤礦采動上覆巖層活動演化規(guī)律進行了研究。

1工作面開采技術(shù)條件

朱集煤礦隸屬于淮南礦業(yè)集團，東井田屬朱集井田27勘探線以東部分，位于安徽省淮南市潘集區(qū)與懷遠縣交界處的武前莊與騎龍莊一帶，井田東西長約7.0 km，南北寬約3.0 km，面積21 km2。井田范圍內(nèi)煤層賦存簡單，地質(zhì)條件較好，煤層平均傾角2～5°，屬近水平煤層，易于發(fā)揮工作面生產(chǎn)能力。10煤含煤面積37.16km2，可采面積33.3km2，賦存標高在-350～-1000之間，大部分賦存于-920～-940m之間,煤層厚度0～5.02m，平均3.32m，屬結(jié)構(gòu)簡單、大部可采的較穩(wěn)定煤層。朱集煤礦—906東翼軌道大巷埋深在950～980m之間，頂板以泥巖、粉砂巖、細砂巖為主，底板則主要以砂巖為主，各巖層厚度一般集中在4～10m之間,局部為厚度15m的砂質(zhì)泥巖。

2上覆巖層活動規(guī)律的物理模擬研究

采煤工作面從開切眼開始推進，隨著直接頂懸頂面積的增大，直接頂頂板中產(chǎn)生橫向裂隙與老頂發(fā)生離層，當推進距離達到直接頂極限跨距時，即發(fā)生直接頂首次垮落，如圖1中1所示；直接頂垮落后，由于老頂?shù)膹姸容^大，老頂仍處于懸露狀態(tài)，相對上覆巖層，老頂?shù)淖冃未?，與上覆巖層發(fā)生離層，破斷前形成較大的懸空，以“板”的形式支撐上覆巖層的重量，工作面推進距離繼續(xù)增大，老頂懸露達到其極限跨距，老頂(砂巖)發(fā)生初次破斷垮落，如圖1中2所示；老頂垮落后上覆巖層由于失去老頂?shù)闹巫饔?，老頂其上的較軟弱巖層隨老頂?shù)目迓湟舶l(fā)生同步變形、破斷，但采場上位關(guān)鍵層巖梁由于其巖層強度大，在老頂垮落后不會立即垮落，而是當老頂進一步發(fā)生垮落后，大概需兩到三個周期來壓后上覆關(guān)鍵層巖梁達到其極限垮落布距后發(fā)生破斷，采場的巖層活動范圍達到最大，如圖1中3所示；此后工作面繼續(xù)推進，上覆巖層將發(fā)生周期性的垮落、穩(wěn)定過程。

圖1　上覆巖層漸次垮落穩(wěn)定示意圖

2.1相似模擬的建立

相似模擬試驗以朱集煤礦為例，根據(jù)基本計算理論[5-6]，采用平面應力模型架(如圖2)，幾何尺寸(長×寬×高)2.5 m×0.2 m×1.0 m。整個實驗系統(tǒng)主要包括框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)三部分。

圖2　平面應力物理模擬模型架

傳統(tǒng)相似材料模型試驗中，根據(jù)原型巖體的力學參數(shù)與原型試件的力學參數(shù)相等，模型體的力學參數(shù)與模型試件的力學參數(shù)相等，運用原型試件與模型試件的相似進行試驗。圖3為物理模擬模型。實際上，原型巖體與原型試件、模型體與模型試件之間存在尺寸效應，影響試驗的準確性，因此模型的力學參數(shù)需要經(jīng)過修正。依據(jù)工作面的尺寸及本試驗目的，考慮尺寸效應的影響，確定修正后模型的幾何相似比為Cl=100，巖層密度為2.5 g/cm3，相似材料密度1.5 g/cm3，因此密度相似常數(shù)Cρ=25/15，應力相似常數(shù)Cσ=100×25/15=166.7。

圖3　物理模擬模型

模型架尺寸有限，只能模擬一定厚度的巖層，因此采用外載代替未能模擬到的地表巖層重量。模型上覆巖層厚度400 m，垂直應力σv=2.5×400=10 MPa，模型中的垂直應力為σvm=0.060 MPa=60 kPa，施加的力F=60×0.02=1.2 kN=1200 N。試驗采用杠桿加載方法，通過增減重塊的數(shù)量和調(diào)節(jié)離支點的間距實現(xiàn)加載。

模型的開切眼位于模型左邊界65 cm處，于模型右邊界65 cm處終止，模擬工作面推進長度為120 m。在模擬過程中，在模型內(nèi)共設(shè)置6個壓力盒，分兩層布置，每層3個，模型制作完畢一周后拆除模板，模型表面刷白晾干并打上網(wǎng)格線，網(wǎng)格尺寸為50 mm×50 mm。

綜合考慮上面的各種因素以及相似模擬原型條件，本次相似模擬巖層的配比見表1。

表1　相似材料配比及其物理力學性質(zhì)參數(shù)

2.2上覆巖層破斷垮落及位移特征

圖4　直接頂初次垮落過程示意圖

2.2.1上覆巖層破斷垮落特征

圖4為工作面從切眼位置開始到直接頂?shù)谝环謱映醮慰迓鋾r頂板的垮落過程。采煤工作面從開切眼開始向前推進，在0～32 m推進過程中，直接頂出現(xiàn)2～3條橫向裂隙，但裂隙張開度較小，并不明顯；隨著工作面向前推進，原巖應力逐步向工作面前后兩側(cè)煤壁轉(zhuǎn)移，直接頂懸頂跨度不斷增加，開挖35 m后，頂板橫向裂隙進入快速發(fā)育期，裂隙條數(shù)和張開度明顯增大，隨著橫向裂隙的發(fā)展，使直接頂與老頂產(chǎn)生離層，產(chǎn)生微縱向裂隙，開挖37.5 m時，直接頂局部冒落，導致直接頂?shù)谝环謱釉陂_挖40m時產(chǎn)生較大面積垮落即初次垮落，垮落高度為6m，塊體較小，呈松散狀，縱向裂隙和橫向裂隙發(fā)育，貫穿整個巖層。直接頂與老頂由于模型材料碎脹系數(shù)較小，垮落的巖層仍呈層狀特征，垮落巖石尚未充滿采空區(qū)。

圖5為采動覆巖破裂跨落過程。由于老頂?shù)膹姸容^大，直接頂發(fā)生初次垮落后，老頂仍處于懸露狀態(tài)，相對上覆巖層，老頂?shù)淖冃未螅c上覆巖層發(fā)生離層，破斷前形成較大的懸空，以“板”的形式支撐上覆巖層的重量，工作面推55 m，老頂懸露達到其極限跨距，老頂(砂巖)發(fā)生初次破斷垮落，垮落下來的老頂塊度長約15 m。推進75 m時發(fā)生第一次周期來壓；此后每推進約20 m有一次周期來壓，引起了上部巖層較大的變形和破壞。

圖5　采動覆巖破斷垮落過程示意圖

2.2.2上覆巖層位移特征

模擬煤層開采過程中，采用位移計對上覆巖層活動進行監(jiān)測，分別在煤層頂板15 m、46 m和76 m高度設(shè)置測點(測點布置如圖6)進行觀測，不同層位頂板移動變形曲線如圖7所示。

實心圓代表位移測點；橢圓代表應力測點；單位：mm圖6　物理模擬測點布置

圖7　不同層位頂板下沉量與工作面推進距離關(guān)系

結(jié)合圖7，根據(jù)上覆巖層的位移特征，煤層頂板各位置布置的測點變形可分三個階段，即緩慢增長階段、跳躍式增長階段和穩(wěn)定階段。以圖7a，煤層頂板15 m高度處巖層變形特點為例，分析可知：

1)緩慢增長階段。煤層開始回采至30 m，各層巖層測點未見變化跡象，均處于穩(wěn)定階段，但直接頂已開始出現(xiàn)少量的宏觀裂隙，但裂隙張開度較小，并不明顯；CH001已經(jīng)有活動的跡象。開挖至35 m后，頂板橫向裂隙進入快速發(fā)育期，這時15 m層位的頂板的CH001測點隨著煤層的回采，頂板上覆巖層隨之運動，但增速較小。工作面回采50 m時，頂板巖層下沉量仍然相對較小，僅為3 mm。

2)跳躍式增長階段。隨著煤層開采向前推進，上覆巖層發(fā)生垮落，CH001測點在工作面推進55 m呈現(xiàn)跳躍式增長，導致老頂初次來壓，隨后采動應力進入短暫的調(diào)整期，離層破裂范圍不斷向上發(fā)展，此時CH001穩(wěn)定一定時間；工作面繼續(xù)回采，CH001測點又跳躍式增長，頂板下沉速度及下沉量急劇增加，最大下沉量達到32 mm，導致工作面在推進75 m時發(fā)生周期來壓，垮落高度、垮落范圍不斷增加，巖層運動漸次向上發(fā)展。

3)穩(wěn)定階段。隨著工作面的回采和采空區(qū)垮落巖體進一步壓實，采空區(qū)上覆巖層受到已冒落矸石的支撐，并進入壓力不變區(qū)，此時CH001測點達到最大下沉值，測得其下沉值為34 mm。

CH002、CH003、CH004呈現(xiàn)規(guī)律與CH001規(guī)律相似，但緩慢增長階段和跳躍式增長階段較長，穩(wěn)定階段相對縮短，同時由于采空區(qū)壓實程度的差異，各測點的最終下沉量隨著至切眼距離的增大而逐漸減小，分別為33 mm、32 mm和28 mm。3條觀測線仍在繼續(xù)下沉，但下沉速度緩慢。

3結(jié)論

1.由相似模擬得出的上覆巖層破斷過程表明，煤層采出后，煤巖層內(nèi)應力重新分布，隨著工作面持續(xù)推進，上覆巖層將依次發(fā)生直接頂、老頂垮落，在老頂垮落后工作面繼續(xù)推進，其破壞范圍仍會繼續(xù)上延，兩到三個周期來壓之后上覆巖層移動才會趨于穩(wěn)定。

2.上覆巖層的位移特征表明，煤層頂板的變形可分三個階段，即緩慢增長階段、跳躍式增長階段和穩(wěn)定階段。

3.從以上研究結(jié)果可以看出，采場上覆巖層在老頂初次破斷后，須經(jīng)兩到三次周期來壓后才能趨于穩(wěn)定，因此，留巷后鉆孔的滯后施工距離應至少選擇在工作面過2#聯(lián)巷3～4個周期來壓之后，即45～60m之后。

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Study of Evolution Patterns of the Overlying Strata by Equivalent Material Simulation: A Case of Zhu Ji Coal Mine

CAO Peixi， YANG Benshui

(School of Civil Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230022，China)

Abstract:This paper establishes an engineering geological model in the technical conditions of Zhu Ji mine face. By Equivalent Material Simulation, it studies evolution characteristics of the overburden deformation moving and fracture distribution after the working surface has been mined,and obtains the characteristic parameters of mining strata breaking collapse and displacement as well as the relationship they have with the working surface advance The findings of this papper provide a scientific basis for determining the reasonable position of left lane and the ascending mining feasibility engineering practice.

Key words:overburden deformation;fracture ;collapse ; simulation test

中圖分類號：TB24

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8382(2016)01-025-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160106

作者簡介：曹培喜(1990-)，男，研究生,主要研究方向為地質(zhì)災害與防治工程。

基金項目：國家科學自然基金項目(51274007)

收稿日期：2015-07-03