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1、第21卷第6期煤 炭 学 报Vol121No161996年 12月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYDec.1996大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏陶连金 王泳嘉(东北大学)摘要 采用现场实测、相似模拟实验以及离散元模拟相结合的综合研究方法,对沿倾斜方向采场上覆岩层的运动与破坏进行了系统的研究1证实了剪切滑移区的存在,并按覆岩运动规律与破坏特征对围岩进行了分区.关键词 大倾角煤层 上覆岩层运动 剪切滑移区 离散元模拟 模型试验中图分类号 TD325大倾角煤层开采后,由于采场上覆岩层载荷沿层面方向的分量增加,而法向分量却相对减
2、小,因此[1]造成其矿压显现规律与缓倾斜煤层有显著差异1由于大倾角煤层的开采较少,这方面的矿山压力研究也[2,3]相对较少1已有的研究主要是通过现场实测和模型试验进行的,在采场来压预报、支护设计以及老顶结构分析等方面取得了一些重要进展1对大倾角煤层安全开采起到了积极的作用1但是由于研究方法的限制,还不能对上覆岩层的运动和破坏作出直观确切的描述,老顶岩层所形成的力学结构也无法形象的展现出来1因此,弄清采场上覆岩层的运动与破坏规律,对于采场与回采巷道的岩层控制,丰富矿压理论具有重要意义11 相似模拟试验模拟条件为一实际煤层,煤层倾角平均45°,直接顶由
3、泥岩、砂页岩和砂岩组成,总厚度5m,老顶为厚度1410m的分层较多但中等稳定的砂岩1工作面斜长80m,采高310m1采用平面应力试验台,几何比为1ö100;密度比为0161位移采用网格法和千分表相结合,围岩应力则用微压盒配合7V13数据采集器自动采集,通过计算机实时输出、显示、绘图1工作面煤层一次采出后,顶板在覆岩载荷的作用下很快产生弯曲、离层、断裂直至垮落1在采场上方形成了不对称的冒落拱,其特征是上大下小(图1)1其轮廓反映了直接顶的冒落特征1由于冒落矸石堆积充填了采空区的下部,造成了上部顶板相对悬空,致使冒落带形态明显不对称1老顶岩层由于下部矸
4、石充填活动余量较小而只产生小范围的断裂和离层,逐渐形成裂隙带,形态上与冒落带相近,表示裂隙带岩层的极限平衡状态1工作面两侧及采空区中的压力测点的测试结果也同样表现出明显的不对称性1从以上试验结果的分析可以看出,大倾角煤层沿倾斜方向采场覆岩的变形、移动与破坏特征同缓倾斜煤层明显不同,表现在采空区充填程度、两带的高度与形态以及压力分布呈现出的不对称1采空区冒矸的充填是下实上空,由此造成上覆岩层的运动与破坏在时间和空间上均表现出不同步,工作面来压也经常是中上部先于下部,来压强度也是如此12 离散元模拟计算采场上覆岩层由于受到节理裂隙等弱面的切割,表现出显
5、著的非连续性和各向异性,冒落带和裂隙收稿日期:1996204209第6期陶连金等:大倾角煤层采场上覆岩层的运动与破坏583带岩层更是如此1而离散元法却恰好具有处理大变形与非连续介质的能力,尤其与边界元耦合后更能发挥其特长1因此,在这里用耦合法研究了沿倾斜方向采场上覆岩层的运动特征1离散元模型的计算条件与相似材料模型完全相同,计算范围取长和宽均为200m1模型单元布置与工作面开采位置如图2所示,底板、煤层、直接顶和老顶及上覆岩层分别具有不同的性质和参数1图1 覆岩冒落带与裂隙带形态图2 离散元计算模型Fig11Morphologyofcavedzon
6、eandfracturedzonesFig12CalculationmodelofDEM图中单位:m211 采场上覆岩层运动分析煤层采出后,顶板在载荷作用下挠曲变形并下沉1随着时间的推移,围岩位移持续增加,直接顶开始垮落,伴随着直接顶的大面积垮落,上位岩层随之运动1冒落的矸石充填满了采空区下部,但上部却局部空置1事实上,覆岩的运动在不同的层位、不同的位置(相对于工作面上下煤体)是不一样的1在围岩运动稳定后的位移和块体图上可以直观的看到岩层的运动特征(图3)1冒矸以下滑为主;工作面上侧煤体的顶板以沿层面的剪切滑移为主;工作面下侧煤体的顶板以压缩变形为
7、主;底板则表现为煤体下岩层的压缩变形和采空区下的膨胀变形1这些特点构成了大倾角煤层的围岩运动特征1上位岩层呈整体下沉,模型的上表面产生了半个下沉盆地,左侧位移最大,主要是铅垂位移,基本是盆地中心1工作面上部顶板的剪切滑移量很大,造成了边界块体与边界的分离1根据块体的破坏和移动状况,可以确定出冒落带和裂隙带的高度与形态,其结果与相似材料模拟试验结果十分接近1说明用离散元和边界元耦合法进行计算机模拟可以代替费时耗资的模型试验,它完全可以反映出采场围岩大变形与非连续的力学特性1212 围岩应力分布特征由围岩的运动与破坏分析可以看出,岩层的运动是一个动态过
8、程,它对采场和回采巷道的作用也将是一个动态的过程,围岩应力分布也是一个动态过程1图4是围岩运动充分稳定后的主应力分布1可以
