薄基岩条带开采工程地质力学模型试验研究.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo tM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M i t r ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 2 一0 1 7 00 4 薄基岩条带开采工程地质力学模型试验研究 杨伟峰，隋旺华 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要针对兖州太平矿区内赋存有薄基岩的地层条件，以工程地质力学模型试验为手段，研究了 薄基岩条件下条带开采覆岩与地袁移动变形厦破坏的工程地质机理及其主控因素，揭示了薄基 岩条带综放开采引起的上覆岩层的破坏过程、破坏形态、破坏范围及地表的移动变形规律，为工 程实践提供了理论依据． 荚键词薄基岩；条带开采；地表移动；工程地质力学模型 中图分类号T D8 2 3 ．6文献标识码A E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nE n g i n e e r i n gG e o l o g i c a lM e c h a n i c a l M o d e lo fS t r i pM i n i n gB e l o wT h i nB e d r o c k s Y A N GW e if e n g ，S U IW a n g h u a S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mo fe x i s t e n c eo ft h i nb e d r o c k ss t r a t ai nT a i p i n gc o dm i n i n ga r e ao f Y a n z h o u ，m e c h a n i s ma n dc o n t r o l l i n gf a c t o r so fo v e r l y i n gs t r a t aa n dg r o u n dm o v e m e n td e f o r m a t i o n i n d u c e db ys t r i pm i n i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h i nb e d r o c k sw a sr e s e a r c h e db ym e a n so f e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lm o d e lt e s t ．T h ed e s t r u c t i o np r o c e s s ，f o r m s ，a n dr a n g e so fo v e r l y i n gs t r a t a a n dt h er u l e sdg r o u n dm o v e m e n tw e r er e v e a l e d ．p r o v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o re n g i n e e r i n g p r a c t i c e ． K e yw o r d s t h i nb e d r o c k ；s t r i pm i n i n g ；g r o u n dm o v e m e n t ；e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lm e c h a n i c a l m o d e l 条带开采能有效地控制垮落带、断裂带的发 育，减少覆岩与地表沉陷，形成“保水开采”技术，有 利于提高开采上限以及保护地面建 构 筑物、地形 和地貌，是一种绿色开采n ] 技术，因而条带开采在 “三下”采煤方面，将有广泛的应用前景． 工程地质力学模型试验是根据一定的相似原 理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法． 该方法根据相似原理将矿山岩层 在研究的范围 内 以一定比例缩小，用相似材料制成模型．然后对 模型中的煤层模拟实际情况进行“开采”，观测模型 上的岩层由于“开采”引起的移动、变形和破坏情 况，分析、推断实际岩土层及地表所发生的情况． 本试验依据充州矿区的工程地质及地质采矿 条件，研究薄基岩条件下条带开采引起的覆岩破坏 机理 包括破坏带高度、垮落断距、覆岩内部移动变 形 、煤柱稳定性和地表沉陷规律，为以后地表沉陷 预计方法选择奠定基础． 1 研究区地质结构特征 山东省济宁市太平矿谢家口村庄下煤田揭露 的地层有第四系、二叠系山西组．第四系平均厚度 1 5 4 ．7 4m ，由粘土、砂质粘土、粘土质砂 砂砾 及 砂 砾 组成，与下伏地层不整合接触．含煤地层二 叠系山西组揭露平均厚度4 8 ．4 2m ，煤层上部为 细、中、粗砂岩及细砂岩夹粉砂岩和泥岩，平均厚度 3 4 ．4m ，煤层平均厚度8 ．8m ，其下部泥岩、粉砂岩 收稿日期{ 2 0 0 3 1 0 1 0 作者简介，杨伟峰 1 9 7 4 一 ，男，内蒙古自治区赤峰市人．中国矿业大学讲师，工学硬士．从事地质工程与煤矿工程地质方面的研究 万方数据 第2 期杨伟峰等薄基层条带开采工程地质力学模型试验研究 1 7 J 及细砂岩夹泥岩，与下伏地层整合接触． 谢家口村庄下压煤具有典型的薄基岩结构，薄 基岩工程地质性质指标中的抗压、抗拉强度及弹性 模量比正常厚度基岩的要小得多，这就使得薄基岩 条带开采时，基岩层不能形成砌体梁一类稳定的 “大结构”，岩层内部的波浪式下沉无疑会向上部土 层延伸，岩层与煤柱的应力应变状态及煤柱的塑性 区分布情况也势必区别于正常厚度基岩，这些问题 对开采的影响均需要做进一步的研究． 2 工程地质力学模型的设计制作 根据相似理论确定模型的具体参数如表1 所 示．本模型为倾向剖面，模型的原型长6 0 0m ，深 2 0 0m ，煤层平均埋深1 8 8m ，表土层厚1 5 4m ，上 覆基岩层厚3 4m ，煤层厚为8 ．8m ，此尺寸主要依 据研究区钻孔工程地质岩组柱状图，按设计的采留 比分层开采．条带采宽为4 0m ，留宽为4 0m ． 表1工程地质力学模型参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lm e c h a n i c a lm o d e l 选取的结构体 自重 材料在模拟基岩时，采用 河砂、重晶石粉为骨料，石膏、甘油为胶结物的结构 体材料．对于表土和煤，由于重度小，加进适量的煤 粉以减少材料的重度．配比试验是工程地质力学模 型结构体材料模拟试验的基础工作．对制成的结构 体材料试件反复试验，测定其力学性质，调整材料 组成的比例，以达到力学相似的要求． 模型试验中要观测的位移采用标点量测法进 行观测，各土层层问埋设标点，岩层中各结构体块 均设置标点，地表设置位移表以供读数来量测变形 情况．这样，既可观测煤柱和采空区上覆岩土层的 变形，又可研究条带采区内各个开采空间的互相影 响情况． 随着每个条带工作面的开采，其上覆岩土层的 应力、位移分布将产生相应变化，利用模型中各结 构体块上的标点标记和土层中埋设的标点的位移 变化情况的测量，以及地表位移计的读数，来分析 岩土层及地表的动态移动．据此，可以研究每个条 带顶板各岩土层的移动及变化规律． 3 模型开采及观测 为探索岩土体在煤层开采后的移动及破坏机 理，必须综合分析岩土体与结构各部分的应力与破 坏状况，故要对模型进行变形及位移分布观测。其 方法大致可分为以下几个方面 1 模型的上覆土层及地表的动态移动观测l 2 模型的煤柱和采空区上覆岩层的变形观 测； 3 模型破坏现象的照相观测与描述． 模型开采中，首先按设计的采留比分层开采， 由模型 煤柱 一侧向另一侧开采。采完第一分层， 再开采第二分层．在模型上设计了5 个条带采区和 4 条煤柱，采区长度1 1 0c m 相当于实际4 4 0m ， 为已达到充分采动． 开采五个条带后覆岩与地表发育形态的照片 及素描图如图1 ，2 所示． 图1 五个条带一分层开采完的照片 F i g ．1 P i c t u r eo f f i v es t r i p sa f t e rt h el i r s t d i v i d e ds t r i pm i n i n g 圉2 第一条带开采后的素描图 F i g ．2 S k e t c ho ft h ef i r s ts t r i pm i n i n g 4 条带开采岩体破坏形式 4 ．1 垮落 各条带煤层采出后，顶板岩层中重分布应力超 过岩体的强度，岩体破裂成块状脱离原岩而垮落； 从模型中测量可知五个条带第二分层开采后的垮 落带高度均为3 ．0c m 相当于实际1 2m ，为采高 的1 ．5 倍． 从模型开采过程中的素描及照片观测发现，条 万方数据 1 7 2中国矿业大学学报第3 3 卷 带开采时，采出条带上方的的破坏、垮落是很有限 的，其主要原因是由于采宽相对较小 一般小于或 等于老顶初次垮落步距 ；另外，由于变形范围的逐 步扩展，减少了岩层弯曲的曲率，一旦垮落发展到 某一岩层内。其所承受的拉应力小于岩体的允许抗 拉强度．那么，这一岩层就只发生下沉、弯曲和离 层，不发生垂直于层面方向的断裂破坏，保持岩层 本身的整体连续性． 4 ．2 离层 离层高度随工作面开采范围而变化，分别采五 个条带时，由于其宽度相同，且均匀分布，所以其离 层高度及长度基本相同．离层发育到硬岩底部，由 于硬岩的支撑作用，不再向上发展，离层裂缝高度 和长度不再增加．随着采空区范围的扩大，离层层 位不断抬高，长度加长，覆岩内有多个层位发生离 层．采五个条带时离层发育最高的高度为2 1m ，位 于1 3m 厚的细粉砂岩的底部．在综放条件下，当 采空区达到较大面积后，上覆岩层内离层存在的时 间很短或不产生离层． 4 ．3 层闻错动 层问错动主要发生在不同岩层交界处或沿软 弱面，模型铺设中，各层次的结构体块层面明显，条 带开采后，由于各层结构体块在重力产生的沿层面 的下滑力的作用下，或者由于岩层移动过程中相邻 岩层水平移动的大小或方向不同，使得层面或层问 软弱带两侧的岩层产生相对滑移；模型中由于基岩 层较薄，随着离层裂隙的产生，各层间均有明显的 层间错动． 4 ．4 剪切破坏和塑性变形 这种破坏在软弱岩层中常见，表现为软弱岩体 在剪应力作用下形成一系列的滑移面；硬岩层中的 剪切破坏现象在支撑压力区岩层中也有发现，以沿 着已有裂隙发生的重剪破坏为多见． 下位岩层 直接顶和部分老顶 经受过回采工 作面上方的高压作用后，在受到较小的弯曲时就超 过弹性极限，所以，这里主要是岩层的弹一塑性变 形。开始呈梁式的，随后岩块沿构造断裂面或新形 成的断裂面断裂或错动．直接顶板岩体是弯曲断裂 还是剪切断裂决定于早先岩层表面是否达到抗弯 强度或受压带是否达到抗剪强度．从开采模型照片 中可以看出直接顶产生的“V ”、“＼’，状断裂，老顶呈 较平稳的弯曲等现象． 5 条带开采岩士层的位移 未垮落岩层在下沉过程中层面都发生了离层 所以彼此之间层面已是非弹性接触．尽管最终离层 层面还会闭合，但在层面方向仍存在着一定的错 位．当这种岩层间的离层发展到一定高度后，由于 岩层内部变形范围进一步扩大，变形集中程度降 低，也就是说岩层层面的曲率变小时，变形不是以 使这一层位的岩层与其上部岩体发生离层，而保持 层面问的相互弹性接触，并与上部各岩层一起以整 体变形的形式下沉． 从工程地质力学模型中可以看到岩层是连续 的弯曲波浪形．随着向上距开采区距离的增加，岩 层弯曲范围逐渐增大，曲率变小，由波浪带到地表， 岩层弯曲逐渐平缓至形成单一的下沉盆地． 5 ．1 煤柱上方下沉变化规律 在煤柱上方。从煤层往上，下沉总体是逐渐增 大的．但在岩性变化处，下沉曲线出现了变化．当下 部为软岩、上部为硬岩时，层面下的下沉大于上部 硬岩的下沉．另外，煤柱上方拉压变形不规则地交 替出现，而并非只存在一个明显的拉压变形的界 面，这是由于岩性及岩体厚度所致． 5 ．2 采空区上方下沉变化规律 从采空区往上，下部岩体的下沉大于上部岩体 的下沉但是，在离基岩面2 01 2 3 _ 处，出现了一个转 折．从基岩面开始到离基岩面2 0m 处，下沉值有 减小的趋势，由于开采扰动及重力作用岩体受压， 以模型的岩性来看，这是由于此处存在一个较厚的 关键层，阻止表土及关键层以上的岩层下沉所致． 在关键层以下，下沉值递增速度大，这是由于在关 键层以下出现了许多的离层，岩体受拉． 5 ．3 地表及基岩面的下沉规律 通过地表位移观测表读数，可以绘制五个条带 采完后松散层及基岩的下沉曲线如图3 所示．五个 条带开采结束后，地表下沉量较小，只有8 0 7m m ， 下沉系数为0 ．0 9 17 ，计算得最大曲率为o ．2 8 5 1 0 。m ～，最大倾斜3 ．8 7 6m m ／m ，且没有波浪出 现，在这种地层条件下，使用条带综放开采，能够有 效地控制地表沉陷． 由于本研究区覆岩较薄，其中又赋存着风化带 岩层，风化岩层使得裂隙带的发育受到制约，使基 岩的不均匀移动变形变得缓和；加之基岩上部有较 厚的松散层．这就使地表移动变形比较平缓；由模 型观测数据知，距离开采煤层3 4 ．4m 处的基岩顶 部不均匀移动变形已变得缓和，距离开采煤层 6 1 ．7 4m 处的松散层移动变形巳变为平缓趋势；再 向上发展。地表变形移动呈整体而平缓变形，由于 研究区内松散层厚度达1 5 4 ．7 4m ，到达地表则星 万方数据 第2 期 杨伟峰等薄基层条带开采工程地质力学模型试验研究 1 7 3 现单一的下沉盆地 如图3 ． ￡M 自k ／m 0 旦_ 0 2 I ．0 4 者麓 时 ￡* _ 自* ／m b ￡n * 自* ／m 褫0 戊伊勰蠢洋铲龇 乎鞣吣∥乒榭”V V ⋯ 图3 煤层依次条采后地表及岩层内下沉分布 F i g ．3 T h es u b s i d e n c ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c ea n di nr o c k s t r a t aa f t e rs e q u e n c es t r i pm i a i n go fc o a l8 e s r l _ l S 6 结论 参考文献 I 薄基岩条件下覆岩变形及破坏的情况总结 如下．a 垮落很有限，垮落带高度仅1 2m ．b ．离层 随着采空区范围的扩大而层位不断抬高，长度加 长；c ．层问错动是随着离层裂隙产生而发生的；d ． 薄基岩中的剪切破坏现象主要沿着已有裂隙发生 的重剪破坏为主． 2 分析试验结果表明，薄基岩条带最明显的 特征是下沉系数偏大、边界角较小、拐点偏距较小 等；对于厚松散层薄基岩顶板，易出现“全厚切落 式”折断条件．另外，由于厚松散层作用下，薄基岩 整体切落，老顶承受其上覆岩层全部重量，大多数 情况下不能形成砌体梁一类稳定的“大结构”． 3 从模型试验分析中知，上覆岩土体下沉曲 线由波浪形转换为平缓下沉曲线，工程地质影响因 素主要有覆岩的赋存特征、松散层的分布及厚度、 岩 土 层的物理力学性质等． 4 从地表和上覆岩土体的下沉曲线来看，尽 管覆岩较薄，但其中赋存的风化带岩层使得裂隙带 的发育受到制约，使基岩的不均匀移动变形变得缓 和I 加之基岩上部有较厚的松散层，这就使地表移 动变形比较平缓．可见在这种薄基岩地层条件下， 只要条采设计合理，是能够有效控制地表沉陷的． E 1 ] 钱鸣高，许家林．缪协兴．煤矿绿色开采技术口] ．中国 矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 7 ． [ 2 ] 吴玉庚．工程地质力学模型材料试验研究[ A ] ．中国 科学院地质研究所．工程地质力学研究[ c ] ．北京地 质出版社，1 9 8 5 ． [ 3 ] 杨伟峰．薄基岩条带开采覆岩与地表移动变形机理的 研究及优化设计[ D ] ．徐州中国矿业大学资源与地 球科学学院，2 0 0 3 ． [ 4 ] 狄乾生，隋旺华，黄山民．开采岩层移动工程地质研究 [ M ] ．北京中国建筑工业出版社，1 9 9 2 ． [ 5 ] 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