浅埋煤层开采三维相似材料模拟实验研究.pdf

第卷增 年月 岩石力学与工程学报 五介 增 加 , 浅埋煤层开采三维相似材料模拟实验研究 王崇革 ’ , 山东科技大学力学教研室 王莉莉宋振联 ’ 潘立友 泰安 一。一 ,一王东泰安市教委 泰安 摘要通过三维相似材料模拟 , 将浅埋煤层开采的上覆岩层运动与地表沉陷作为一个整体系统结合起来进行研究 , 对其整体结构 , 从地下煤层开采到上覆岩层运动规律 、 破裂拱的形成及发展变化直至地表沉陷变形运动规律进行 研究 , 给出了相关的定性研究结论 , 可为现场提供决策依据 。 关健词岩石力学 , 矿山压力 , 岩层运动 , 地表沉陷 , 相似材料模拟 分类号 , 一 文献标识码文章编号 一 增 一 一 张 引氏 田匡 月压刊认 奴 月城 乃心 韶 ,,, ’ 肋心饰 钾 卿 , 公 馆 讯 , 了 扩公 , ,,,, 前言 目前 , 我国对于矿山压力规律研究的方法 ’ , 】 , 主要采用的手段之一是实测 , 但实测方法所花费的 人力 、 物力较大 , 需要 的时间也很长 , 同时 , 受现 场生产条件的影响 , 所得资料有一定局 限性 , 而且 , 对岩体内部运动破坏状况的观测尤为困难 。 利用有 限元数值解析法等数值模拟方法 , 虽然计算过程严 密 、 速度快 、 不受现场条件约束 , 但对于非线性 、 大变形 、 非连续介质方面 , 由于在岩体物理属性的 决定上参数选择尚有困难 , 特别是给定的初始条件 的偏颇 , 因此结果往往具有一定的局限性 。 而对于 开采后上覆岩层运动变化 、 破坏规律的研究 , 尤其 对涉及弹塑性 、 破碎 、 垮落以及多种物理力学过程 的岩体力学问题 , 在以定性为主要目标的研究中 , 利用相似材料模拟往往 是比较有效的 。 所得结果 可 以作为现场实测研究和数据方法分析设 计研究 的基础 一 一 。 相似材料模拟实验是在实验室利用相似材料 , 依据现场柱状图和煤岩体物理力学性质 , 按照相似 理论和相似准则 儿何相似 、 时间相似 、 弹模相似 、 强度与应力相似等 , 制作与现场相似的模型 , 然后 进行模拟开采在模拟开采过程中 , 通过检测仪器 年月日收到初稿年月日收到修改稿 。 山东省自然科学荃金资助项目 。 作者王崇革简介岁男 , 年生年毕业于山东矿业学院土木系 , 现为博士研究生 、 副教授 , 主要从事岩土力学 方侧内教学与研究工 作 。一 罗 一 ￡ 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷增王崇革等浅埋煤层开采三维相似材料模拟实验研究 连续监测顶板的运动情况以及支承压力分布情况 根据模型中的实测结果 , 并利用相似准则 , 计算或 反推该条件下现场开采时的顶板运动规律如 冒高 、 直接项初次垮落步距 、 老顶初次来压步距 、 周期来 压步距 、 裂隙带的扩展高度等 、 支承压力分布规律 如支承压力的峰值及位置 、 支承压力在顶板中的分 布等以及与地表沉陷间的相互关系 , ’ , 以便为现 场提供决策依据 。 实验装备 模拟实验台 所用实验台为山东科技大学资源与环境工程学 院实验中心的三维立体相似材料模拟实验台图 。 长度 , 开采煤层厚度 , 开采深度 煤层赋存较稳定 , 结构简单 , 煤层倾角为近水平 煤层直接顶为厚的粉砂及粉细砂岩互层 , 灰 黑色老顶为厚的中砂岩 , 灰白色 , 泥质 胶结 , 厚层状表土层厚度为浅埋煤层地质 条件简单 , 无大的地质构造 。 模型参数 模型参数是根据综合柱状图的岩层物理力学性 状如厚度 、 抗压强度及容重等指标 按照的 几何比例来确定石膏 、 碳酸钙 、 砂子的配比号及用 水量 表 。 根据配比号及用水量分层铺设立体模 型 , 煤层总重量犯 , 配比为砂碳酸钙 石膏木粉碳粉 , 分次 铺 , 分别为 ,,,,, 水为 。 表模型参数 岩性厚度 抗压强度 八 容重 一配比号水配比 滩吕 ‘ 崎︵托口月峙月,仑︸,山气‘,‘,‘,‘,‘,‘,‘,‘,‘,‘,‘,山,山,‘ 几,三,‘‘,‘,‘,古,‘,几 几︸,‘﹃︸ ,‘ ︸户 内‘ ,了 ‘ 傀叹曰 仔 ‘ 、 户, 自︸, ⋯ ,乙内,‘ 图三维立体相似材料模拟实验台 闪 ,才, , ﹃‘一月,凡」 ‘ 峙︸一 月 月 咤 ︶气‘沙︸‘曰只月,沙﹃产 飞 一甘咤︺八︺月呀口,,‘内‘介 、工,‘尸、︸,‘ 其平台面积为 , 整体承受的额定压 力为 , 有效实验高度为 。 模型长 、 宽相近 , 考虑边界影响后仍有开采范围 , 且 四周围护装置为槽钢 , 模板的抗变形能力非常大 , 可约束模型点的运动 , 保证了模型内部处于三向应 力状态 , 可对采场上覆岩层在空间上的运动发展规 律 、 矿山压力的分布及地表沉陷的相关规律进行三 维相似材料模拟研究 。 测试装备及手段 根据实验要求 , 采用 了微型压力传感器 、 滑线 电阻式位移传感器 、 微型摄像头 、一 数据 采集模块和相应的数据分析软件 , 对采场的顶板垮 落情况 、 支承压力的变化规律以及地表沉陷规律进 行连续监测 , 并得到了量化指标 。 表土层 细砂岩 粘土岩 、 泥岩 粗砂岩 粘土岩 细砂岩 、 泥岩 细砂岩 、 粉砂岩 粉砂岩 、 泥岩 细砂岩 、 泥岩 细砂岩 、 粉砂岩 泥质岩 粘土岩 、 泥岩 粉砂岩 中砂岩 粉砂岩 煤 模型参数 模型模拟概况 模型模拟的概况为 工作面长度 , 走向 监测图像及数据 由于本次实验为三维立体相似材料模拟实验 , 采空区顶板情况无法直接观察 , 为此 , 借助于微型 摄像头 , 外加辅助光源 , 深入老塘 , 通过外连监视 器可清楚地观察到内部顶板垮落情况图 , 直观地 观察到初次来压以及周期来压情况 。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 二 岩石力学与工程学报年 为童方位立体化监侧采场上砚岩层运动规律及 地表着移情况 , 用条纵向 、 条横向压力传感器 翻线以及个断面 、 个层位的位移传感器构成空 间立体监侧网格 , 并按一定规律对所有传感器进行 编号 。 通过 枷 数据采集系统对每个测点数 据进行实时采集 , 并通过数据分析软件处理数据 , 研究其变化发展规律图 】 , 分别为点压力传 感器与点地表位移传感器所侧数值相对变化 值随推进距离的关系曲线 的断面 , 可观察到随采场推进时上祖岩层的断裂情 况图,“ 圈,樵进】时的倾向断面 昌, 。 叫脚 ” 目即朋脚日犷, 图果室匡顶板及砰石 川肠 。 。犷 即, 几”。昌 。犷 一曲笋目命 圈吞推进时的倾向断面 感 , 朋 ”。 晰目 即。一 翎日。 犷石 刀吞湘”刀的乃”的乃 推进枢高加 ,’蝴柳脚脚脚脚期珊 啊 ‘曰孟口︸成口‘口孟口石曰五‘口石口‘曰 权目肠权 图随军作面推进口点亥承压力的变化 阳县 ,跳。唯 巷彻 叼丫助创月 蔫 习百的 翅的 是孟 急 的 的 百 的 是 吗 圈,走向断面 巷,“朋 。 一‘ 推缝通离加 留随重作面推进 点地表沉降值 粤 垅 朋毗含 。唯 昌触 叫 朋哈 马 核里断面 ‘ 为更清楚地观察采场上攫岩屠运动情况 , 柑推 进方向每隔加 。 对模型作了相应的措倾向及走向 尹昌 馆 圈口顶板周期来压步服 朋 醉 , 助 昌。 。 语 通过本次实验研究 , 可得以下相关定性结论 按相似理论配置材料铺成的岩层随 一 作面 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第卷增 王崇革等浅坝煤层开采三堆相似材料棋拟实脸研究 推进 , 在实脸棋型范围内实现了有规律的运动 , 脸 证了从地下采场上扭岩层运助直到地表沉陷之间存 在的必然的内在联系 实侧发现 , 在本次三堆立体模拟实脸过程 中 , 初次来压步距为 , 周期来压步距为 由模型断面可大致看出 , 在充分采动情况 下 , 始构裂隙拱高近似为工作面长度的一半 由模型煤体内部埋设的压力传感器测得的 数值绘出的曲城可知 , 当工作面由开切眼处向前方 抽进时 , 煤体内的文承压力翅渐增大 , 推至的 时 , 文承压力交化相对剧烈 , 之后交化又趋于平缓 , 由予煤层开采引起的地表沉陷 , 当工作面 推重 , 处时 , 沉降值交化明显 , 下沉速度增加 当工作面推重的处时 , 地表沉陷交化剧烈 , 之后 下沉速度交得相对平缓 旬将模型分别沿纵向与横向切开后 , 通过观 寮顶板运动交化情况 , 发现顶板断裂情况沿推进方 向较倾向更加明显 , 断裂线在根都比较明显 , 在开 采初期 , 沿个方向的断裂情况具有一定的对称性 , 但随着推进距离的增加 , 郭停对称性表现的越来越突 山 , 顶板断裂的空间形状更像是四面锥体 考文献 未振拱 , 实用矿山压力勺控侧【】 , 愉州 , 中国矿业大举出舰社 , 贾弃策 , 犷山岩层力举 【 , 北京煤炭工业出版杜 , 鹅敬 , 钱场煤层开采的大比例立体傲拟研究 , 煤炎学报 , 月‘,, 李鸽昌矿山压力的相似橄拟试脸脚 , 徐州 , 中国矿业大学出版 社 , 二 桨敬 , 石平五 , 刘,宜山岩体工祖的姐堆体实脸方法【 见中国岩石力学匀工租学娜四次举术大‘文粼北京中 国料学拉术出版杜的已 , ”、,肠 高明申急倾拱煤脸开系岩移招本舰律的棋里试脸【 , 岩石力举 与工翻拳报 , 二 侧场 , , 一一, 汤建泉 , 开聚奢通助和破坏规律的实睑研究 【硕士学位论文】【 】 北京 , 申国犷业大举”, 窜伸组 , 大里地下们宣群旦幼地质力学椒过试脸中随蔽开佗棋拟 系筑的研究和设什山岩石力学匀工租学报 , 州 , ,‘ , 、 】 王堆胡商娜岩有力学现论【 】 , 习匕 京 , 冶众工业出限社 黄乐李开采沉陷力举的研究勺发展煤炭科学技术的 ,,“ ,石 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.