重复采动条件下覆岩下沉特性的研究.pdf

第 2 3卷第 5期 l 9 9 8年l O月 煤 炭 学 报 J OURNAL OF C HI NA COAL S OCI ETY ．2 3 No 5 Oc t 1 9 98 一 复采动条件下覆岩下沉特性的研 ， 王 盟 张 冬 至 周 鸣 ， 一，一 摘要现场观测及 实验 室试验结果表明采动岩体碎胀量与深犀 比成正比，据此得 出了初次 采动时地表及岩体 内部下沉系数计算式．同时 。根据受初次采动影响的岩体在重复采动 时碎胀 量减小 。假 定减小量与初次采动碎胀量成正比，推 出了预测重复采动务件下地表及岩体 内部下 沉系数的计算式，并可由现场 实测得 出有关参数 ，经与 3 6十初采观测站资料和 1 0十重采观测 站资料 的实测资料对比。证 明了所给套式的正确性 关 键 词 兰 墨 墨 生， 墨墨 数一， 中图分类号T D 3 2 7 开 采沉 陷 一覆 彩 勿 重复采动一般包含 2种情况 ①不同煤层或不同分 层之间的重复采动；②同一煤层或同一分层相邻 工作面之间的重复采动．不论是哪一种重复采动 。都使地表移动量大小和规律与初次采动存在较大的差 别． 目前对重复采动时地表移动规律 的研究 尚处在开始 阶段 。仅把握着一些宏观上 的变化规律_ 1 J ，例 如 重复采动时下沉系数增大 1 0 ％～2 O％，边界角减小 5 ～l 0 。 。移动角减小 1 0 ～1 5 。 等 ．对不 同的重复 采动条件下 如上下工作面边界不 同、煤层间间距不同等的地表移动规律 尚认识不足 ．本文结合我国 部分矿区的实测资料 ，给出重复采动时下沉系数 口的计算方法 ． 1 岩体破裂规 律 当地下工作面开采面积较小 。未达到岩体破裂所需的极限宽度 ，此时岩体不断裂 、破坏 ．当工作面 长度达到岩体破裂所需 的极限宽度 ，岩体破裂、垮落 充填 采 空区 ．图 l给 出 了一 相 似 模型 试 验 中岩 体破 裂 高度与工作面推进距离的关系． 从 图 1可得 到如下 规律 1 随着工作 面推进距离的增大 。破裂带高度增 大 2 破裂区外边界近于一直线 ，与煤层之间的夹 角近于充分采动角 根据以上规律。可得破裂区高度 与工作面推进距 离 的关 系为 水平煤层 f TL 2 t a I l 3 ， 1 收藕 日期 1 9 9 7 1 1 1 7 国家 冉热科学基金重点项 目 批 准号 5 9 6 3 4 0 3 0 I 、 图 1 岩体破裂高度 与工作面 推进距 离 的关系 F i g ． 1 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e b r e a k h e i g h t o f r o c k ma s s a n dth el e n g t h o f g o a l 维普资讯 第 5期 王悦汉等 重复采动条件下疆岩下 沉特 性的研究 4 7 1 倾斜煤层 h f 1 2 ， L。 s i n n s i n 2 十口 ， 、 ＆一 2 s i n 口口一∞ ， ’ 式 中，h 为走向破裂带高度 ；h f 1 ，h ＆ 分别 为破裂带上部边界距工作 面下山、上山边界的垂 高；L 2为 走 向工作 面推进 距 离 ；L。 为倾 斜工 作 面 推 进距 离 ； 1 ， 2 ， 分别 为下 山 、 上 山和 走 向充分 呆 动 角 ； n为煤层倾角 ； 为最大下沉角． 2重复采动岩 层 “ 活化 机理 在地下未开采前 ，岩体受覆岩重力作用 ，处于均匀压缩状态．煤层采出后 ，工作面上方部分岩体的 重量以支承压力的形式传递到工作面周 围煤岩柱上，破裂区内岩体处于卸载状态 ，使其产生碎胀，其碎 胀可理解为两方面 ①岩体破裂 、层间离层形成裂隙使岩体扩容 ；②因受压岩体卸载产生部分弹性恢复 变形．由于这一碎胀变形的存在 ，即使后期再受压力作用，也不可能恢复到原来的状态 ，即存在所谓的 残余碎胀．残余碎胀的存在，使地表移动最大下沉值总小于采 出煤层厚度 ，即下沉系数小于 1 ． 由于初次采动时 ，岩体已产生破裂、离层 和部分弹性恢复变形，重复采动时 ，已破裂岩体碎胀量较 第一次小 ，其原因为 ①应力在初采时 已经产生重新分布，重采时应力转移量较初采时少 ，弹性恢复变 形也较小 ；②由于初采时岩体已破裂 、离层，重采 时岩体虽然再次破裂、离层 ，但其量值较初采增加 少，使得重栗时岩体的碎胀量小 ，地表移动变形增大，即产生所谓 的 “ 活化 现象 ． 3 初次采 动时地表及 岩体下沉 系数计算 采 动岩 体碎胀 导 致 了地 表 下 沉 小 于 煤层 采 厚 ，并 且 现 场 及 实 验 室观 测表 明 J ，岩 体 越 接近 煤 层 ，其 破裂 程 度 越 高 ，碎 胀 量 越 大；越远离煤层 ，碎胀量越小 ，据此可 以假 定岩 体的碎胀 量与离 开煤层 的距离成线性分布，即 z ⋯ E g 0 二 ， k 4， 式中，e 为z水平上岩体 的碎胀量 ；H 为采 深，m；g为 以地表 为坐标 原点 的坐 标 ； 为表土 层厚 度 ，m． 由于岩 体 的碎胀 使地 表 下沉减 小 ，则 地表 下沉 最大 值为 一一j 皂 - 一 一 ＼ 7 J d 图 2 E 与 H 的关系 Fig． 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n E ￡a n d H 。d一 d d一 。 旦 ． 5 o 一 J e 一 e o 一 5 由式 5 可 得下 沉 系数 为 q ， 6 ， ㈤ 。 ’ 式 中，e 0 为岩体 内最大碎胀量 ；q为下沉系数；d为采厚，mm． 只要求 出 0 就可 以通过式 6 求得下沉系数 ． 0可采用现 场观测资料求得．根据阜新 、本 溪、 铁法、南票 、舒兰、蚊河 、鸡西 、双鸭山 等矿区 3 0个测站的资料回归 见图 3 得 *东煤公司生产部地碍处等东煤矿区地表与岩层移动观碍赘料综旨分析撮告 附录1 9 9 1 峰峰矿奇局 ，中国矿业学皖峰峰矿区 地表 移动成果汇碧1 9 8 2 一 L 一 维普资讯 4 7 2 煤 炭 学 报 1 9 9 8 年 第2 3 卷 一 ” ” ． 8 将式 8 代人式 6 ，并 考虑 到式 6 ，式 8 中 d的单位不统一和表土层不产生碎胀 ，将其归化后得 口 1 _ 0 ．2 3 9 2 3 5 。 ” ． 9 对于岩体内部的计算，可由上述方法求褥，同时考虑 到表 土内 不产生 碎胀 ，可得 任一 水平 上 的最 大下 沉量 为 z d一 。 j d z ． H 一 8 一 z一8 一 一 0， l 00 2 0 0 3 0 0 f H 一 】 ／ 一 。 。c ～ ≤ H ． ⋯ 。 与 ⋯ 系 将式 8 代人式 1 。 并考虑到单位 的统一后 ， ∞ g ． 3 Th e r e g r e s s i o n r e l a t s h i p o f e 0 d 一 o ．z s 厂 o -z s 啬 ” ． ⋯ 式 1 1 即为岩体 内部下沉 系数 与距地表深 度 的关 系 式 ，该 式 表 明 ，随距 地 表 深度 z 的增 加 ， q z与 z成 二 次关系增大．说 明岩体内部的下沉系数非常量 ，而与距煤层 的高度有关 ． 4 重 复采动 时地表下沉 系数计算 假定有两层煤开采，如图 4所示．由于第 1层开采已使 o a b内岩体产生碎胀，则第 2层煤开采时，使 c a b内岩体产 生的碎 胀 量 减 小 ，假 定 o a b内岩 体 内产 生 的 碎 胀 量 为 k 0 1 ／ H1 ．而在 E F D C 内由于第 1 次开采时未使其产生碎 胀 ，第 2次开采时使其产生碎胀，故第 2层开采 后，地表 的 最 大下 沉量 为 d z ～ 端 - 高 ， H2 一 H1 Hl 一 d 2 一 o 2 ～一艇o l T‘ 将式 7 代人上式 ，得 l d 1 。／ A 一 b f E 仨 三 { C ／ F - - - h m 图 4 重复采动 e 与采 深的关系 F ig． 4 Th e r da t i o n s h i p o f ￡ m a d mi n i n g d e p t h i n i p e fl t mi n i n g rx J 0 2 _d 2 一 s 0 2 盟 1 _日 2一 i ～一 L l一口 1 d 1 又 因 Z eal 0 2 q 2 d 2 水 平煤层 ，则 。 d d 一 e 。 - 一 一。 d ． 1 2 鲫 ∞ m 0 0 维普资讯 第 5 期 王悦 汉等 重 复采动条件下覆岩下沉特性 的研究 4 7 3 E D 2 口 2 d 2 1一q 1 d 1 ] ， 1 3 式 中，H1 ，H2为第 1层 和第 2层 煤 的采 深 ，r n ； q 1 ，q 2为 第 l层 和 第 2层 煤 开 采 后 地 表 下 沉 系 数 ； dl ，d2 为第 l层煤 和第 2层煤 的采厚 ，1T ／ 1T I ； 0 2 为第 2层 煤 开采 时岩 体 的最 大碎胀 量 ； 为复 采下沉 影 响系数 ． 对于 同一 矿 区 ，地层 相 近 ，因 而可近 似假 定 0 】 0 2 ，故 有 q2 dz d2 1 q 1 d1 H2 H 1 H2一 k 1一q 1 d 1 一 } i c 对于 分层 开采 ，H】 ≈ H2 ，则 ． ， 由式 1 4 ， 1 5 ，根据阜新 、本溪、鹤壁 、淮南 、资江等矿 区中硬覆岩条件 下的实测数据 ，回归 得 到如 下关 系 式 ，即 _ 0 _2 4 5 3 ex p 0 10 0 5 0 2 旦 3 l ≤ 2 5 0 I4 0 ．9 8 ． 其 回归 曲线 与实测 关系见 图 5 ，从 图 5可见 ， 随 H 一 ／ d I 增大而增大， 说明随第 1 次采深增大，岩体 压实性增加，密度增大 ，第 2次开采时 。“ 活化量”减小 求 出 后 ，由式 1 4 可求得重复采 动条件 下地表下 沉 系数 为 ． H2一 一 HI 。 。 一砸 而 一 二 ． 1 7 a 2 d’ 对厚 煤 层分层 开 采 ，H1 ≈ H2 ，则下 沉 系数 q 2为 O 0 _ 0 0 0 q 2 1一 ． 1 8 ] ㈣ Ⅲ 从式 1 7 ， 1 8 可见 ，对 厚煤层分层开采 ，重 复 图 与 的回归关系 采动下沉系数口 2 与第1 层煤采厚d I 成反比，与第2 层煤 F ig ． 5 T h e 唱 ∞．帅 h ．p 0 f n d 旦 掣 采厚 d 2成正比．对于多煤层 重复开采 ，口 2不但 与 d 1 ，d 2 有关 ，而且与煤层间距有关，间距越大 ，q 2越小 ，即岩层的 “ 活化”量越小 5 实测与预测对 比 5 ． 1 初次采动时实测地表下沉 系数与预测下沉系数对比 根据 式 9 求得 的各矿 区预测 下 沉 系数 与实 测 下沉 系数 见 表 1 ．从 表 1可 见 ，预 测 的 下沉 系数 与 实测值的最太差值为 0 ． 0 9 0，平均差值 0 ． 0 3 8，说 明所得到的计算公式用于预 测有足够的准确性 ，对于 中硬覆岩可采用式 9 计算下沉系数． 维普资讯 4 7 4 煤 炭 学 报 1 9 9 8 年 第2 3 卷 表 1 初 次采动 q实测与预计值 比较 Ta bl e 1 M e a s ur e d s u b s i d en c e c o e ffi c i e nt q v s c a l c nl at e d s u bs i de nc e c o e f fic i e nt i n fir s t mi ni ng 注 为实耐下沉系数 ；目 为预计下沉 系戥 ． 5 ． 2 重复采动时实测地表下沉系数与预测下沉系数比较 根据式 1 6 ～ 1 8 计算得各矿 区重复采动时下沉系数与 实测下沉 系数 比较见表 2 ．从表 中可 见 ，实 测与 预计最 大 偏 差 0 ． 0 4 0，平 均 偏 差 0 ． 0 1 5 ，说 明 预计 与 实 测 下 沉 系数 符 合 很 好 ，可 以 利 用式 1 6 ～ 1 8 计算重复采动下沉 系数． 表 2 重复采动 q实测 与预 计值 比较 T a b l e 2 M e a s u r e d s u b s i de n c e c o e f f i c i e n t q V S c a l c u l a t e d s u bs i d e n ce c o e f fic i e n t q i n s e c o n d mi n i n g 6结 论 1 采动岩体破裂碎胀是地表最大下沉 小于采厚 的主要原因．初次采动地表下沉系数 与深厚 比有 关，在中硬覆岩条件下 ，可用式 9 求 出地表下沉系数． 2 重 复采动 地表 下沉 系 数与 两层 煤之 间的间距 、两 层煤 采厚 及初 次 采动 下沉 系数 有 关 ．中硬 覆岩 条件 下其 关 系 由式 1 6 ～ 1 8 给 出 ． 3 岩体内部下沉系数 q 与距煤层的高度有关，越接近煤层，下沉系数越大 ，反之亦成立 ， 由式 1 1 给 出 维普资讯 第 5期 王悦汉 等 重 复采 动条 件下覆岩下沉特性 的研 究 4 7 5 参考文献 1 中华人 民共 和国煤炭工业部制定建筑 物 、水体 、铁路 及 主要井巷 煤柱 留设 与压煤 开采规 程北京 煤炭 工业 出版 社 ， 1 9 8 5 2布林 克斯 基 B A主编矿 山岩层与地表移 动北 京 煤炭工业出版社 ，1 9 8 9 作者简介 王悦汉 ．男 ．剐校长 ，教授 ，博 士生导 师1 9 6 8年毕业 于西 安矿业 学院 采矿工程 系 ．1 9 8 1年毕业 于 中国矿业 大学 北 京研究生部 ，获工学硕 士学 位．现从 事采矿工程及岩石 力学 方面的科研与教学工作 出版 巷道壁后 充填技 术 等专 著多部 ．在 国内外 刊物及会 议上发表有关巷道 支护 及岩层 控制 的论文 4 0多 篇．江苏 省徐州 市 中国矿业 大学 校办 ．邮政 编码 2 2 1 0 0 8 邓喀 中 ．男 ．剐教 授 ．所长1 9 8 1年毕业于中 国矿业学院地质 系 ．1 9 8 6年 、1 9 9 3年 先后 获得 中国矿韭 大学 北京研 究生部硕士 、博 士学位 ，现从 事开采沉陷及 “ 三下”采煤 、岩石力学 等方面的科研 和教 学工 作．发表 “ 开采 沉 陷中的岩 体节理效应” 等论 文 2 0多篇江苏省徐 州市中国矿业大学采矿系 ，邮政编码 2 2 1 0 0 8 ． THE S TUDY 0N THE CHARACTER 0F S TRATA SUBSI DENCE DURI NG REPEAT M I NI NG W a n g Yu e h a n Dan g Ka z h o n g Z h a n g Do n g z h i Z h o u Mi n g C h i n a Un i r s i t y o fMi n i n g a n d T h n o l e g y Ab s t r a c t Th e r e s u l t s o f t h e f i e l d o b s e r v a t i o n a n d l a b e x p e r i me n t s h o w t h a t t h e b u l k i n g o f mi n i ng r o c k ma s s i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o r mi o of mi n i n g d e p t h a n d mi n i n g t h i c k n e s s ．Ba s e d o n t h i s ，t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a of s u b d e n c e c o e f f i c i e n t o n t h e s u r f a c e a n d s t r a t a s u b s i d e n c e i n t h e f i r s t mi n i ng i s o b t a i n e d ． B a s e d o n t h e f a c t t h a t t h e b u l k i n g of t h e r oc k 1T l a s s wh i c h wa s i n f l u e n c e d b y fi r s t mi n i n g，wi l l b e s ma l l e r d u r i n g s e c o n d mi n i n g ，a n d s u p p o s e t h e r e d u e e d q u a n t i t y i s p r o p o r t i o n a l t o t h e b u l k i n g d u r i n g f i r s t mi nin g．t h e c a l c ula t i o n f o r mula f o r p r e d i c t i n g s u b s i d e n c e c o e f f i c i e n t o n s u r f a c e and i n s i d e r ock mass u n d e r s e c o n d mi n i n g c o n d i t i o n i s d e r i v ed ，t h e con c e r n e d p a r a me t e r s a r e o b t a i n e d f r o m s i t e me a s u reme n t ．Th e g i v e n for mu l a i s p r o v e d t o b e c o r r e c t t h r o u g h i t s comp a ris o n wi t h fi e l d d a t a f r o m 3 6 fi rst mi n i ng a n d 1 0 r e p e a t mi n i ng o b s e r v a t i o n s t a t i o n ． Ke y w o r d s r e p e a t mi n i n g ，s u ksi d e ri c e c o e f f i c i e n t ，mi n i ng s u b s i d e n ce 维普资讯