浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟.pdf

第 3 8卷第 1期 2 0 t 3年 1月 煤 炭 学 报 J OU RNAL OF CHI NA C O AL S OC I E T Y Vo 1 ． 3 8 No． 1 J a n ． 2 0 1 3 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 3 0 1 _ 0 0 6 1 0 6 浅埋深 长壁工作面覆岩破 断特征相似模 拟 任艳芳 ， -7 宇 ， 齐 庆新 1 ． 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院 ， 北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 天地科 技股 份有限公 司 开采设计事业 部， 北京1 0 0 0 1 3 ； 3 ． 中国煤炭科 工集团有 限 公司 ， 北京1 0 0 0 1 3； 4 ． 煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院 ， 北京1 0 0 0 1 3 摘要 利用相似模拟 实验方法 ， 研究 了浅埋深长壁x - ． 作面覆岩破 断特征 ， 掌握 了浅埋煤层长壁开 采覆岩破断过程 中的关键特征点。并结合现场矿压实测 ， 掌握 了工作面来压与上覆岩层裂 隙发展 之 间的规律。研 究分析表 明 浅埋深长壁工作 面覆岩破断的关键特征点分别是直接顶破断、 基本顶 初次破断、 基本顶周期性破 断、 裂 隙带初 次导通地表、 裂 隙带周期性导通地表。裂 隙带导通地表 即基岩层周期性全部破断 与基本顶破断的周期性发 生是浅埋深 长壁开采条件下工作面顶板来 压存在大小周期的主要原因。浅埋深长壁工作 面开采过程 中， 基本顶的断裂极 易引发裂 隙带导通 地表 。因此 ， 在工作 面来压期 间， 要适 “-3加快工作面推进速度 ， 避免发生压架事故。 关键词 浅埋煤层 ； 覆岩破断； 相似模拟 ； 推进速度 ； 顶板控制 中图分类号 T D 3 2 5 文献标志码 A Ph y s i c a l a n a l o g o u s s i mu l a t i o n o n t he c h a r a c t e r i s t c s o f o v e r b ur d e n b r e a ka g e a t s h a l l o w l o n g wa l l c o a l f a c e R E N Y a n f a n g ． _ ， N I N G Y u 。 Q I Q i n g x i n 1 ． C o a l Mi n i n g＆D e s i g n B r a n c h ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e r i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． C o a l Mi n i n gD e s i g n D e p a r t m e n t ， T i a n d i S c i e nce a n d T e c h n o l - o g y C o ． ， L t d ． ， B e lti n g 1 0 0 0 1 3 ； 3 ． C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g C o ． ， L td ．， B e i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a； 4 ． M／ h e S a f e t y T e c h n o l o g y B r a nch ， C h i n a C o a l R e s e a r c h I nst i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t T hi s p a p e r s t u d i e s t h e c h a r a c t e ris t i c s o f t he b r e a k i n g p r o c e s s o f o v e r b u r d e n r o c k s i n s h a l l o w c o a l wo r k f a c e t h r o u g h p h y s i c a l a n a l o g o u s s i mu l a t i o n， a n d o b t a i n s t he k e y c h a r a c t e r i s t i c s o f o v e r b u r de n b r e a k i n g p r o c e s s ． Ba s e d o n t h e fie l d o b s e r v a t i o n， t h e s t u d y fin d s t h e l a w b e t we e n r o o f we i g h t i ng a nd o v e r b ur d e n f r a c t u r e d e v e l o p me n t ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b r e a k i n g p r o c e s s f o l l o ws t h e k e y p o i n t s a s t h e br e a k a g e o f i mme d i a t e r o o f ， t h e i n i t i a l b r e a k a g e o f ma i n r o o f ， t h e p e r i o d i c b r e a k a g e o f ma i n r o o f ， t h e f r a c t u r e b e l t ’ S i n i t i a l c o n n e c t i v i t y wi t h t h e s u r f a c e， a n d t h e f r a c t u r e b e l t ’ S p e r i o d i c c o n ne c t i v i t y wi t h t he s u rfa c e ． T he i n t e r n a l me c ha n i s m o f r o o f pr e s s u r e e x i s t i n g f o r l o n g a n d s h o r t p e r i o d s a n d e r s h a l l o w b u rie d l o n g wa l l w o r k i n g f a c e i s t h e f r a c t u r e b e l t ’ S c o n n e c t i v i t y wi t h t h e s u rf a c e ， a n d t h e b r e a k a g e o f t h e ma i n r o o f o c c u r s p e rio d i c a l l y ． Du r i n g t h e mi n i n g p r o c e s s o f s h a l l o w b urie d l o n g wa l l wo r k i n g f a c e， t h e b r e a k a g e o f ma i n r o o f e a s i l y r e s u l t s i n t he f r a c t u r e b e l t ’ S c o n n e c t i v i t y wi t h t h e s u rfa c e ． Th e r e f o r e， i n o r de r t o a v o i d t h e c r u s h i n g a c c i d e n t o f f u l l y me c ha n i z e d s u p p o rts ， t h e wo r k i n g f a c e a d v a n c i n g s p e e d s h o u l d be a c c e l e r a t e d d u rin g t h e p e rio d o f t h e p r e s s u r e c h a ng e a t wo r k i n g f a c e ． Ke y wo r d s s hall o w c o a l s e a m ； b r e a k o f o v e r b u r d e n； p h y s i c a l a n a l o g o u s s i mu l a t i o n； a d v a n c e s p e e d； r o o f c o n t r o l 我国西部鄂尔多斯地 区 目前开发的煤 田多为浅 埋深煤层 ， 其赋存特点是埋藏较浅 ， 煤层倾角小 ， 构造 简单 ， 开采条件优越 。浅埋煤层开采后的覆岩破断与 运动规律与常规埋深煤层存在显著差异， 煤层开采 后 ， 覆岩直接破断至地表 ， 上覆岩层中很难形成完整 的“ 三带” 卜 。许多浅埋深长壁工作面的矿压显现 收稿 日期 2 0 1 卜1 2 2 7 责任编辑 王婉洁 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项 目 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 6 ； 国家科技支撑计划资助项 目 2 0 0 8 B A B 3 6 B O 1 ， 2 0 0 8 B A B 3 6 B 1 2 作者简介 任艳芳 1 9 8 1 一 ， 男， 山西太原人， 工程师， 博士研究生。T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 8 8 0 ， E - m a i l r e n y a n f a n g t d k c s j ． c o n 6 2 煤 炭 学 报 2 0 1 3 年第3 8 卷 异常剧烈 ， 当工作面推进速度过慢 或支护强度不足 时 ， 上覆岩层极易在煤壁前方呈整体切落式断裂垮 落 ， 地表松散层紧附基岩垮落发 生同步下沉 ， 对工作 面形成瞬间冲击载荷 ， 引发压架事故。因此 ， 研究浅 埋深长壁工作面覆岩破断特征将对掌握工作面矿压 显现特征及研究顶板控制技术有着重要 的理论 与现 实意义 书 ] 。 地下岩体赋存环境极其复杂 ， 受煤层采动影响 ， 不同位置的岩层会发生不同性质的变形 ， 这使理论研 究覆岩运动过程极其困难 。相似材料实验则可以直 观地观测到相似模型的应力 、 位移 、 破坏 、 运动等的变 化过程 ， 掌握覆岩的破断 、 运动及变化规律 。通 过相似材料实验与其他研究手段的结合 ， 有利于全面 深入地掌握上覆岩层破断规律。 1 相似材料 实验设计 1 ． 1 工程背景及材料配比 1 工程背景。选取伊泰公司纳林庙煤矿 2号 井 6 2 1 1 4综采 工作面作 为相似材料模拟实验工程 背景。该工作面平均埋深 8 5 m， 地表松散层平均厚 度 3 0 Il l ， 基岩层平均厚度 5 5 m。工作面长度 2 4 5 m， 采高 6 m， 直接顶为泥岩 ， 厚度 2 m； 基本顶为粗砂岩， 厚度 6 m。 2 相似常数及材料配 比。根据相似定律 ， 并依 据现场实际条件及实验模型情况 ， 取几何相似参数 C 1 1 0 0 ； 容重相似常数 C 11 ． 6 1 ； 时间相似 常数 C 1 1 0 ； 应力及强度相似常数 C 1 1 6 1 。 相 似 材 料 实 验 模 型 直 接 铺 装 至 地 表 ， 高 度 1 1 1 c m， 其 中 地 表 松 散 层 为 3 0 c m， 基 岩 层 厚 度 5 5 c m， 6号煤层厚度 6 e m， 底板厚度为 2 0 c m。相似 材料以河砂 、 石英砂和云母做骨料 ， 以碳酸钙 、 石膏做 胶结物。根据相似实验原型的主要煤岩层物理力学 参数 ， 通过计算 和大量不同配比试件的抗压实验 ， 选 定合理配比及材料力学性能。实验模型的材料配 比 见表 1 。 表 1 模型相似材料配比 T a b l e 1 S i mi l a r ma t e r i a l r a t i o s 岩性 模型厚度／ c m 分层 岩石容重／ g n l I 3 抗压强度／ MP a 模 型容重／ g c mI 3 模型强度／ k g c mI 2 配 比号 黄土地 表 砂质黏土 中砂岩 砂质泥岩 泥岩 粉砂岩 细粒砂岩 泥岩 砂质泥岩 细粒砂岩 中粒砂岩 砂质泥岩 泥岩 粗砂岩 泥岩 6号煤 砂质泥岩 1 ． 2 5 1 ． 2 5 2 ． 5 5 2 ． 7 6 2 ． 5 2 2 ． 7 6 2 ． 7 0 2． 5 2 2 ． 7 6 2 ． 5 2 2 ． 4 0 2． 7 6 2． 7 6 2． 6 7 2． 2 6 1 ． 4 0 2 ． 7 6 1 ． 3 5 1 ． 3 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 5 5 1 ． 3 0 1 ． 5 5 0 ． 5 4 0 ． 5 4 2 ． 9 8 1 ． 0 1 1 ． 1 1 2 ． 1 3 2 ． 5 8 1 ． 1 1 1 ． 01 2 ． 1 5 2 ． 71 1 ． 01 1 ． O1 2 ． 9 O 1 ． 2 3 2 ． 9 6 1 ． 1 8 1 ． 2 模型尺寸及观测方案 相 似材 料 实 验 台尺 寸 为 长 度 高 度 宽度 3 2 0 0 m mX 2 5 0 0 m mX 2 5 0 mm， 实际铺设的模型尺寸 为长度 高度 宽度 3 2 0 0 m m 1 1 0 0 m inX 2 5 0 mm， 如图 1 所示。实验现象和数据采用素描、 拍照、 量测、 记录等多种方式进行采集 ， 实验过程观测方案如图 2 所示 。 2实验结果分析 2 ． 1 浅埋深长壁工作面覆岩破断特征 根据实验结果分析认为 ， 浅埋煤层长壁开采覆岩 破断过程 中的关键特征点分别是直接顶破断 、 基本顶 初次破断、 基本顶周期性破断、 裂隙带初次导通地表 、 裂隙带周期性导通地表。下面将根据实验结果对覆 7 5 6 6 6 6 5 7 6 5 6 7 6 煤 5 孙 孙 弘 髂 ∞ 5 6 3 4 4 5 5 4 6 5 3 2 6 2 6 加 第 1期 任艳芳等 浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟 表 2 裂隙导通地表与顶板来压次序对应关 系 Tabl e 2 Co r r e s po nde nc e be t we e n fis s ur e c o nduc t i ng t o s ur f a c e a nd r o of we i gh t i n g s e que nc e 籁 踩 瞳 幡 醐 臀 出 最 瞻 基本顶来压次序 图 1 2 3 1 6 上0 4工作面周期来压变化规律 F i g ．1 2 Cha n g e r ul e s o f pe r i o d i c we i g h t i ng o f 3 1 6一 04 wo r k i n g f a c e 一4 2 号支架 一4 4 号支架 基 本 顶周 期 来 压 次 序 图 1 3 3 2 6 - 0 1 工作面周期来压变化规律 Fi g ．1 3 Cha n g e rul es of 3 2601 wo r k i n g f a c e p e r i o d i c we i g h t i n g 浅埋深长壁工作面开采过程 中， 基本顶 的断裂极 易引发裂隙带导通地表， 而裂隙带导通地表则伴随着 地表覆盖松散层与基岩层的同步下沉运动 ， 这同步下 沉运动可能对工作面来压造成剧烈影响。因此 ， 在工 作面来压期间， 应 当适 当加快工作面推进速度 ， 避免 发生切顶压架事故。 3 结 论 1 浅埋煤层长壁开采覆岩破断过程中的关键 特征点分别是直接顶破断 、 基本顶初次破断 、 基本顶 周期性破断、 裂隙带初次导通地表、 裂隙带周期性导 通地表。 2 裂 隙带导通 地表 即基 岩层 周期性全部 破 断 与基本顶破断的周期性发生是浅埋深长壁 开采 条件下工作面顶板来压存在大小周期的主要原因。 3 浅埋深长壁工作 面开采过程中 ， 基本顶的断 裂极易引发裂 隙带导通地表。因此 ， 在工作面来压期 间， 要适 当加快工作面推进速度， 避免发生压架事故。 参考文献 [ 2] [ 3] [ 4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 任艳芳 ， 齐庆新． 浅埋 煤层长壁 开采 围岩 应力场特 征研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 O 1 6 1 2 1 6 1 8 ． R e n Y a n f a n g ， Q i Qi n g x i n ． S t u d y o n c h a r a c t e ri s t i c o f s t r e s s f ie l d i n s u r r o u n d i n g r o c k s o f s h a l l o w c o a l f a c e u n d e r l o n g w a l l m i n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 0 1 6 1 2 1 6 1 8 ． 黄庆享 ， 钱 鸣高 ， 石平五． 浅埋 煤层采场老顶周 期来压 的结 构分 析[ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 6 5 8 1 5 8 5 ． H u a n g Q i n g x i a n g ， Q i a n Mi n g g a o ， S h i P i n g w u ． S t r u c t u r a l a n a l y s i s o f ma i n r o o f s t a b i l i t y d u ri n g p e ri o d i c w e i g h t i n g in l o n g w all f a c e [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 1 9 9 9 ， 2 4 6 5 8 1 5 8 5 ． Ho l l a L， Bu i z e n M． S t r a t a mo v e me n t d u e t o s h a l l o w l o n g wa ll mi n i n g a n d t h e e f f e c t o n g r o u n d p e r m e abi l i t y [ J ] ． A u s I MM B u l l e t i n a n d P r o ． c e e d i n g s ， 1 9 9 0 ， 2 9 5 1 1 1 1 8 ． 许家 林 ， 朱 卫 兵， 王 晓振 ， 等． 浅 埋煤 层覆 岩关 键层 结构 分类 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 9， 3 4 7 8 6 5 - 8 7 0 ． Xu J i ali n， Z h u We i b i n g， Wa n g Xi a o z h e n， e t a1． Cl a s s i fic a t i o n of k e y s t r a t a s t ruc t u r e o f o v e rl y i n g s t r a t a i n s h a l l o w c o a l s e a m[ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 9， 3 4 7 8 6 5 8 7 0 ． 侯忠杰． 地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 0 0 ， 2 5 2 1 2 7 1 3 1 ． Ho u Z h o n g j ie ． A n a l y s i s of c o mb i n a t o ri a l k e y s t r a t a s t a b il i t y i n s h a l - l o w c o al s e a m w i t h t h i c k l o o s e b e d 『 J ] ． J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e ． t y ， 2 0 0 0 ， 2 5 2 1 2 7 1 3 1 ． 候忠杰． 对浅埋煤层 “ 短砌体 梁” 、 “ 台阶岩梁” 结构 与砌体梁理 论的商榷[ J ] ． 煤炭学报， 2 0 0 8 ， 3 3 1 1 1 2 0 1 1 2 0 4 ． H o u Z h o n N i e ． C o n c e p t of b o t h s h 0 r t v o u s s o i r b e a m a n d s t e p b e a m i n s h al l o w s e a m a n d v o u s s o i r b e a m t h e o r y [ J ] ． J o u r n a l of C h i n a C o al S o c i e t y ， 2 0 0 8 ， 3 3 1 1 1 2 0 1 1 2 0 4 ． 任艳芳． 浅埋煤层长壁开采覆岩 结构特征研究 [ D] ． 北 京 煤炭 科学研究 总院， 2 0 0 8 ． Re n Ya n f a n g ． S t u d y o n s t ruc t u r e c h a r a c t e ris t i c s o f o v e r l y i n g s t r a t a i n s h all o w c o al s e a m u n d e r l o n g w al l m i n i n g [ D] ． B e ij i n g C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t it u t e ， 2 0 08 ． 刘江． 伊泰矿区浅埋煤层 长壁 开采覆岩运动 与破 坏规律研究 [ D] ． 北京 煤炭科学研究总 院， 2 0 1 1 ． L i u J i a n g ． S t u d y o n t h e o v e r b u r d e n r o c k ma s s mo v e me n t a n d d e s t r u c 煤 炭 学 报 2 0 1 3 年第3 8 卷 t i o n l a ws o f s h a l l o w c o a l s e a m u n d e r l o n g wa l l mi n i n g in Yi t a i mi n e a r e a [ D] ． B e ij i n g C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 1 1 ． [ 9 ] 李涛 ， 李文平 ， 常金 源 ， 等． 陕北 近浅埋煤 层开采潜 水位动 态 相似模型实验 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 5 7 2 2 - 7 2 6 ． L i T a o ， L i We n p i n g， Ch a n g J i n y u a n， e t a1． S i mi l a r s i mu l a t i o n o f d y n a mi c d i v e t a b l e wit h a p p r o x i ma t e s h a l l o w b u rie d c o al mi n i n g i n n o h e r n S h a a n x i P r o v i n c e [ J ] ． J o u r n al o f C h i n a C o al S o c i e t y ， 2 0 1 1 ， 3 6 5 7 2 2 7 2 6 ． [ 1 O ] 刘纯贵． 马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 7 一l 1 ． L i u Ch u n g u i ． S i mi l ar s i mu l a t i o n s t u d y o n t h e mo v e me n t b e h a v i o r o f o v e r l y i n g s t r a t a i n s h al l o w s e a l n mi n i n g i n M a j i l i a n g C o a l Mi n e [ J ] ． J o u mal o f C h i n a C o al S o c i e t y ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 7 1 1 ． [ 1 1 ] 康天合， 柴肇云， 李义宝， 等． 底层大采高综放全厚开采2 0 m特 厚 中硬煤层的物理模拟研究 [ J ] ． 岩石 力学与工程学 报， 2 0 0 7 ， 2 6 5 1 0 6 5 1 0 7 2 ． Ka n g T i a n h e， Ch a i Z h a o y u n， L i Yi b a o， e t a 1 ． S t u d y o n p h y s i c al s i m- u l a t i o n o f f u l l - s e a m mi n i n g f o r a 2 0 m v e r y t h i c k a n d me d i u m h a r d s e a m b y s u b - l e v e l c a v i n g mi n i n g wi t h h i【g h b o t t o m c u t t i n g h e i g h t [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f R o c k Me c h ani c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 6 5 1 0 6 5 1 0 7 2 ． 丫丫 丫 一 丫丫’ r 丫]■1 一]『 - T 丫丫 ]r _ ]■丫 丫了 丫一 [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4] [ 1 5 ] 柴敬． 浅埋煤层开采的大 比例立体模拟研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 o 7， 2 3 4 3 9 1 3 9 5 ． Ch a i J i n g ． S t u d y o n l arg e s c ale s t e r e o s c o p i c s i mu l a t i o n for s h all o w s e a m m i n i n g[ J ] ． J o u rnal o f C h in a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 7 ， 2 3 4 3 91 - 3 9 5． 任艳芳． 薄基 岩浅 埋深长壁工作 面覆岩 结构运动 特征 [ J ] ． 煤 矿开采 ， 2 0 1 1 ， 1 6 3 3 5 3 7 ． Re n Ya n f a n g ． Mo v e me n t c h a r a c t e ris t i c o f o v e r l y i n g s t r a t a s t r u c t u r e o v e r l o n g - w a l l m i n i n g f a c e i n s h a l l o w b u ri e d c o a l s e a m[ J ] ． C o a l m i n i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 1 6 3 3 5 3 7 ． 任艳芳 ， 刘江． 浅埋深长壁工作面覆 岩结 构及支架 支护阻力 研究 [ J ] ． 煤矿开采， 2 0 1 0， 1 5 5 8 2 8 5 ． Re n Ya n f a n g， Li u J i a n g ．Ov e r l y i n g s t r a t a s t r u c t u r e a n d s u p p o sin g r e s i s t a n c e a n aly s i s o f l o n g wa l l mi n i n g f a c e wi t h s h a l l o w b u rie d d e p t h [ J ] ． C o alm i n i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 1 5 5 8 2 8 5 ． 许家林 ， 朱卫兵 ， 王晓振 ， 等． 沟谷地 形对浅埋 煤层开采矿压显 现的影响机理 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 1 2， 3 7 2 1 7 9 1 8 5 ． Xu J i ali n， Zh u We i b i n g， Wa n g Xi a o z h e n， e t al，I n fl u e n c e me c h a n i s m o f g u l l y t e r r a i n o n g r o u n d p r e s s u r e b e h a v i o r s i n s h all o w s e a m l o n g w all m i n i n g [ J ] ． J o u rnal o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 1 2 ， 3 7 2 1 7 9一】 8 5． 丫 丫、 r 丫 ]r _ 丫丫丫 丫丫 r 丫了一 丫 丫丫 ]『 - T 2 0 1 1年 煤炭学报 评价指标 根4 5 2 0 1 2年版 中国科技期刊 引证报告核心版 最新数据统计， 2 0 1 1年 煤炭学报 的评价指标如下