淺埋煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)相似材料模擬研究.pdf

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1、2010年8月礦業(yè)安全與環(huán)保第37卷第4期淺埋煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)相似材料模擬研究魏久傳h，李忠建h，郭建斌h，張新國(guó)，李炳勝。，謝道雷h(1．山東科技大學(xué)a．地質(zhì)科學(xué)與工程學(xué)院；b．資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島266510；2．新汶礦業(yè)集團(tuán)，山東新泰271233)摘要：為分析伊犁一礦首采工作面淺埋煤層采動(dòng)覆巖運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)行了相似材料模擬研究。分析了直接頂破壞、老頂破壞、采動(dòng)覆巖破壞高度發(fā)展等規(guī)律，并進(jìn)行了切頂冒落分析。研究結(jié)果表明，首采工作面具有采動(dòng)覆巖破裂高度隨工作面推進(jìn)而增大，采動(dòng)覆巖破裂高度在充分采動(dòng)前約為采空區(qū)跨度之半等規(guī)律。試驗(yàn)過程和理論計(jì)算均未出現(xiàn)切頂冒落現(xiàn)象

2、。研究結(jié)果可為礦區(qū)首采工作面煤層安全開采提供理論依據(jù)，同時(shí)，對(duì)分析其他淺埋煤層安全開采覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有一定的借鑒意義。關(guān)鍵詞：淺埋煤層；覆巖運(yùn)動(dòng)；相似材料模擬；切頂冒落中圖分類號(hào)：TD325文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008—4495(2010)04—0011—03隨著我國(guó)能源基地的西移，地表厚松散層淺埋侏羅系裂隙一孔隙承壓含水層。煤層覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究為煤層安全開采提供了理2相似材料模擬基本原理論依據(jù)¨J。地表厚松散層淺埋煤層長(zhǎng)壁工作面相似材料模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)表明，工作面礦山考慮現(xiàn)場(chǎng)工作面長(zhǎng)度和研究?jī)?nèi)容，模型的幾何壓力顯現(xiàn)沒有因煤層埋藏淺而減緩，相反卻相當(dāng)劇比例為

3、1：100，推進(jìn)長(zhǎng)度為220m，模型的相似條件烈。其主要特點(diǎn)是工作面來壓表現(xiàn)為煤層上覆基巖如下_9]：全厚度切落，導(dǎo)致工作面頂板出現(xiàn)臺(tái)階下沉，支架壓1)幾何相似。設(shè)原型的3個(gè)相互垂直方向的死，造成巨大損失。為避免此類事故發(fā)生，利用相尺寸為，】，p，z，模型的相應(yīng)尺寸為，ym，z，取似材料模擬試驗(yàn)對(duì)伊犁一礦首采工作面煤層上覆巖長(zhǎng)度相似系數(shù)Cf=rm／=Z／Z=1／100；層運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，為煤層安全開采提供依據(jù)。2)時(shí)間相似。取時(shí)間相似系數(shù)為C=Tm／Tp=1首采工作面水文地質(zhì)概況=1／10；3)容重相似。設(shè)原型中第i層巖層的容重為伊犁一礦首采工作面位于井田東一采區(qū)中南

4、Y相應(yīng)模型中該巖層的容重為Y取容重相似系部，總體上為一走向近東西、向北傾的單斜構(gòu)造。地?cái)?shù)為C=y／y=1／1．5，則模型中各巖層的容重為層沿走向、傾向穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)目前尚未發(fā)現(xiàn)有明顯的斷=Ypi／1．5；層。地勢(shì)南高北低，地貌為傾斜平原；水文地質(zhì)為山4)彈模相似。設(shè)原型材料的彈性模量為E。，前壟崗狀傾斜平原潛水、承壓水水文地質(zhì)區(qū)；首采工材料模型的彈性模量為E，則各分層的彈性模量相作面所在區(qū)域內(nèi)地表水受控于南山水系，流經(jīng)本區(qū)似系數(shù)為CE=E／E。=CC=1／150；對(duì)地下水有影響的河流為瓊博拉薩依溝。發(fā)育的地5)強(qiáng)度相似和應(yīng)力相似。設(shè)原型材料的單向?qū)佑衫现列掠校汗派缡肯怠?/p>

5、二疊系，中生界三疊抗壓強(qiáng)度為。，相應(yīng)的模型材料的單向抗壓強(qiáng)度為系、侏羅系、白堊系，新生界第三系、第四系。主要含水層包括：第四系孔隙含水層、新近系孑L隙含水層和?，則模型中各層材料的單向抗壓強(qiáng)度為Or"=／150ocpl收稿日期：2009～10—11；2010—07—20修訂3相似材料選擇及模型制作基金項(xiàng)目：山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目模型設(shè)計(jì)總高度1．5m，采深149m，有效試驗(yàn)(YCA100102)長(zhǎng)度220m。由于相似模擬試驗(yàn)的近似程度取決于作者簡(jiǎn)介：魏久傳(1962一)，男，山東博興人，教授，主要從事礦井水害預(yù)測(cè)及防治方面研究工作。E—mail：jcwee@

6、相似材料的選擇和各種材料的配比，因此需對(duì)相似126．eom。材料配比進(jìn)行試塊研究。本次試塊在常溫下制作，·l1·2010年8月礦業(yè)安全與環(huán)保第37卷第4期試驗(yàn)?zāi)＞卟捎?5em×15cmX15cm混凝土標(biāo)準(zhǔn)模具。所測(cè)試的配比為8：5：5，8：6：4，9：7：3，每一配比制成3個(gè)試塊(見圖1)。試塊成型后1d脫模，在常溫下養(yǎng)護(hù)3d，然后測(cè)其強(qiáng)度。本次試驗(yàn)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)為單軸抗壓強(qiáng)度，采用剛性液壓伺服試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。圖2直接頂堆積狀態(tài)直接頂?shù)钠渌糠?，基本上呈?guī)則垮落，即垮落后能保持原來的層序不變。但是直接頂?shù)暮穸群徒M成隨工作面推進(jìn)速度和工作面地質(zhì)條件的變化，其厚

7、度和組成也是不斷變化的。特別當(dāng)老頂下位巖層是非厚硬巖層時(shí)，直接頂和老頂可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)圖1模擬試塊工作面推進(jìn)的距離增大時(shí)，直接頂隨懸垮長(zhǎng)度的增加而垮落，與其下部巖層成為一組同步運(yùn)動(dòng)。以8：5：5配比為例，試件1單軸抗壓強(qiáng)度為在試驗(yàn)過程中，可觀測(cè)到巖層之間發(fā)生離層的0．207MPa，試件2單軸抗壓強(qiáng)度為0．206MPa，試件3次序并非是逐層自下而上的，而是率先在采動(dòng)覆巖單軸抗壓強(qiáng)度為0．250MPa(去除)，平均為中第一厚硬巖層的下部出現(xiàn)離層，隨著工作面的推0．206MPa。根據(jù)應(yīng)力相似，現(xiàn)以8：5：5配比為例，計(jì)進(jìn)離層裂隙長(zhǎng)度和高度增大，