張九零，范酒源

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

煤層開采上覆巖層移動規(guī)律的相似模擬試驗研究及分析

張九零1，2，范酒源1

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000)

上覆巖層；移動規(guī)律；周期來壓；數(shù)值模擬

以羊東礦2號煤層為基礎(chǔ)，采用相似材料模擬試驗的方法，研究煤層開采中及采后上覆巖層移動的規(guī)律、變化及特點。根據(jù)模擬結(jié)果可知：煤層開采對上覆巖層應(yīng)力變化作用范圍在25 m之內(nèi)，當工作面推進18 m時，頂板應(yīng)力達到峰值，當工作面推進到32 m時，老頂初次來壓，平均來壓步距為7.0 m。

近些年，煤炭企業(yè)對采煤工作面的安全生產(chǎn)越來越重視，隨著采煤工作面的推進，上覆巖層將會受到各種因素的影響，導(dǎo)致煤層原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布，造成覆巖變形、破壞、移動，發(fā)生垮落和下沉現(xiàn)象。因此，研究上覆巖層移動規(guī)律具有一定的意義[1]。

1 工程概況

峰峰集團羊東礦2號煤層分布穩(wěn)定，煤層厚度為4.02～7.35 m，平均厚度為5.54 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其周圍有13個巖層；直接頂由厚度為0.6～16.98 m的粉砂巖組成，砂巖平均厚度為4 m，同時偶有泥巖、砂泥巖互層，脆且易碎；老頂為中粒砂巖，致密堅硬；底板的灰黑色粉砂巖，厚度為8 m，致密易碎，其巖層物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 巖層物理性質(zhì)參數(shù)

2 相似材料模擬試驗

2.1 基本原理

相似材料模擬試驗是將與原型物理力學(xué)性質(zhì)相似的材料，按預(yù)定比例縮放后制成的試驗?zāi)Ｐ?，設(shè)置相似邊界條件后，進行研究的一種試驗方法。采用此方法模擬采煤后煤層頂?shù)装蹇迓涞倪^程，并采用相關(guān)技術(shù)監(jiān)測巖層位移、應(yīng)力變化[2-4]。

2.2 模型材料配比及應(yīng)力加載值

根據(jù)2號煤巖層的實際地質(zhì)資料、巖層物理參數(shù)及相似計算公式，計算出模型材料配比，如表2所示。

表2 模型分層配比表

按照各層容重為1 600 kg/m3計算，原型應(yīng)力為：

(1)

式中：qp——原型未模擬巖層壓力，kPa；

H——采深，m；

H1——模擬頂板巖層高度，m；

γp——原巖容重，kN/m3。

模型上的加載值qm應(yīng)為：

(2)

經(jīng)計算得出：

qm=42.1 kN

2.3 相似參數(shù)確定

試驗?zāi)Ｐ统叽缭O(shè)計300 cm×210cm×30cm，幾何相似比為：Cl=1/50；容重相似比為Cγ=0.6；應(yīng)力相似比為Cσ=Cγ×Cl=0.012；時間相似比為：Ct=Cl1/2≈1/6，模型尺寸如圖1所示。

圖1 模型尺寸圖

2.4 測點的設(shè)計

本試驗使用DRA-30A型多通道數(shù)字應(yīng)變儀、TGD-02-8型光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)、全站儀監(jiān)測上覆巖層應(yīng)力、應(yīng)變及頂板垮落過程，分析上覆巖層移動規(guī)律，其相應(yīng)設(shè)備及測點設(shè)計如圖2所示。

在試驗?zāi)Ｐ偷闹苯禹斉c老頂之間，布置應(yīng)變片測試上覆巖層的應(yīng)力，從開采線到停采線，布置13個，間隔為10 cm，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片位置圖

在直接底下方布置壓力監(jiān)測點，自開采線右側(cè)10 cm處至停采線，共6個，間距為20 cm，如圖3所示。

圖3 壓力盒的安裝位置

在老頂上方設(shè)置應(yīng)變計，自開采線左側(cè)10 cm處至停采線，共7個，間距20 cm，如圖4所示。

圖4 應(yīng)變計的安裝位置

在試驗?zāi)Ｐ兔簩由戏讲贾脺y試上覆巖層移動規(guī)律的測點，共8排，縱向測點，自煤層頂板向上，間距為5 cm，橫向測點，間距為5 cm，離煤層較遠區(qū)域，橫、縱向測點間距設(shè)置為10 cm，具體設(shè)置如圖5所示。

圖5 位置測點布置圖

3 采動覆巖移動規(guī)律

3.1 采動覆巖、底板應(yīng)力分析

隨著采煤工作面的不斷推進，覆巖下方煤體逐漸被采空，導(dǎo)致上覆巖層的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生變化。首先，直接頂失去下方煤層的支持力，在自身重力和煤層兩側(cè)拉應(yīng)力共同作用下，發(fā)生形變、破碎、垮落的現(xiàn)象；然后，上覆巖層的應(yīng)力不平衡狀態(tài)逐漸向上方延展，最終達到一個新的力學(xué)平衡狀態(tài)。在這個過程中采場會發(fā)生一系列應(yīng)力變化，圖6所示為采動覆巖頂板壓力變化。

圖6 頂板壓力變化圖

如圖6所示，在采煤工作面不斷向前推進的過程中，上覆巖層應(yīng)力的變化趨勢是先緩慢上升至峰值，當推進后，開采對原巖應(yīng)力的作用慢慢消失，最終達到穩(wěn)態(tài)。具體分析如下：當檢測點距離開采位置比較遠時，幾乎感應(yīng)不到應(yīng)力的變化，這表明開采對上覆巖層應(yīng)力變化有一定的作用范圍。由圖可知，作用范圍在25 m范圍內(nèi)，應(yīng)力開始發(fā)生變化，當工作面不斷靠近檢測點時，應(yīng)力值緩慢上升，超過25 m范圍，采動對巖層應(yīng)力的作用幾乎為零。在作用范圍內(nèi)，上覆巖層應(yīng)力呈現(xiàn)增加趨勢。在工作面推進18 m時達到峰值，此時，測點上方巖層發(fā)生斷裂、破碎，由于應(yīng)力集中在工作面附近巖層，測點位置應(yīng)力逐漸降低、回落，當測點距離工作面40 m以后時，應(yīng)力將會逐漸恢復(fù)。

圖7 底板壓力變化圖

由圖7可以分析出采動對煤層底板應(yīng)力變化趨勢，具體敘述如下：

(1)底板應(yīng)力升高區(qū)[5]。當工作面沒有推進到測點位置時，隨著工作面的推進，測點壓力逐漸上升，由圖7可知，應(yīng)力上升范圍位于測點距離工作面10～20 m內(nèi)。結(jié)合現(xiàn)場分析此區(qū)域的受力狀態(tài)，當工作面未推進至測點時，底板巖層會受到的水平擠壓力，在靠近工作面的一側(cè)，底板應(yīng)力起到拉伸作用，可以看出，底板應(yīng)力的變化使得煤層的底板受到了破壞。

(2)底板應(yīng)力下降區(qū)。如圖7可知，當工作面距離測點的范圍在-10～10 m內(nèi)時，此時的壓力較低，此種現(xiàn)象的形成是由于煤體被開采后，上覆巖層處于懸空狀態(tài)，沒有發(fā)生垮落，煤層底板沒有較好的壓力傳導(dǎo)介質(zhì)，形成壓力空檔期。

(3)底板應(yīng)力恢復(fù)穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)域在工作面后7～30 m內(nèi)，隨著工作面的推進，底板的壓力由低應(yīng)力階段轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力恢復(fù)階段，由于卸壓階段過后，采場的應(yīng)力空檔期被垮落矸石填充，應(yīng)力開始傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力逐漸恢復(fù)。30 m后達到新的力學(xué)平衡狀態(tài)。

3.2 采動覆巖移動規(guī)律分析

隨著工作面推進，上覆巖層的移動規(guī)律如下所述：

煤層推進的開始階段，沒有出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，裂隙逐漸慢慢發(fā)育，隨著直接頂逐漸暴露，在煤層上覆巖層兩端縱向裂隙顯現(xiàn)，并增加，然后逐漸向上方巖層的弱面擴展。此時由上覆巖層前后方的煤柱支持其壓力，此時，上覆巖層受拉簡力作用，裂隙發(fā)展增多，出現(xiàn)離層裂隙。

圖8 覆巖垮落形態(tài)

當推進至24 m時，煤層上方裂隙發(fā)育迅速增多，可以清楚地觀察到上覆巖層的縱向裂隙，離層裂隙充分發(fā)展導(dǎo)致直接頂垮落[6](如圖8a)。推進32 m時，可以明顯看到離層逐漸向上發(fā)育，最終到達老頂上方，由于縱向裂隙、離層裂隙發(fā)育成熟，導(dǎo)致老頂垮落(如圖8b)，此時，可以分析出老頂初次來壓[7]約為32 m。當煤層推進至38 m、47 m、54 m、60 m時，相繼發(fā)生了4次周期來壓。上覆巖層重復(fù)發(fā)生彎曲、裂隙發(fā)展、巖層垮落的現(xiàn)象，最終達到新的平衡狀態(tài)，表3所示為老頂來壓步距。

表3 老頂來壓步距統(tǒng)計

通過表3和以上分析可以得出，上覆巖層在煤層采動過程及采后的移動規(guī)律可分為直接頂垮落、老頂垮落、周期垮落3個階段，并且，老頂平均周期來壓步距為7.0 m。

4 結(jié)論

(1)煤層開采對上覆巖層應(yīng)力變化作用范圍在25 m之內(nèi)，>25 m采動對上覆巖層應(yīng)力影響較小，當工作面推進18 m時，頂板應(yīng)力達到峰值，當工作面推進40 m時，頂板應(yīng)力恢復(fù)到穩(wěn)定值。

(2)采動對煤層底板應(yīng)力的影響主要劃分為3個區(qū)域，應(yīng)力升高區(qū)，其范圍在工作面距離檢測點10～20 m范圍內(nèi)；應(yīng)力下降區(qū)，其范圍在工作面距離檢測點-10～10 m范圍內(nèi)；應(yīng)力恢復(fù)穩(wěn)定區(qū)，其范圍在工作面距離檢測點7～30 m范圍內(nèi)。

(3)當工作面推進24 m時，上覆巖層出現(xiàn)離層裂隙，推進到32 m時，老頂初次來壓，推進到38 m、47 m、54 m、60 m時，發(fā)生4次周期來壓，平均來壓步距為7.0 m。

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Similar Simulation Test Research and Analysis on Overburden Movement Law of Seam Mining

ZHANG Jiu-ling1,2, FAN Jiu-yuan1

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063210, China;2.Key Laboratory of Mine Thermo-motive Disaster and Prevention, Ministry of Education, Fuxin Liaoning 123000, China)

overlying strata; moving law; periodic pressure; numerical simulation

Taking Yangdong mine No. 2 coal seam as example, based on similar material simulation test methods, the movement law, the changes and features of overburden in coal mining and after mining were researched. The simulation results show that the effect of coal seam mining on the stress change of overlying strata is within 25 m. When the advance of working surface is 18 m, the roof stress to reach the peak, when the advance of working surface is 32 m, the first to the old top pressure, the average pressure step distance is 7.0 m.

2095-2716(2017)02-0020-06

2016-11-23

2017-03-30

國家自然科學(xué)基金項目(51504077,51404086)，河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2016209056)，河北省科技計劃項目(15274112)華北理工大學(xué)杰出青年基金(jp201509)。

TD821

A