小浪底水库下采煤覆岩破坏规律相似模拟探究

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1、小浪底水库下采煤覆岩破坏规律相似模拟摘要：文章以新安煤矿11201.14141及14191三个工作面地质结构条件为工程背景，采用相似材料模拟试验方法，先后进行了4个工程地质力学模型的8次模拟开采，得出了矿井不同工作面在同样开采方法和推进速度下、相同工作面在不同开采方法下、相同工作面在有无断层条件下以及相同工作面在是否留设煤柱情况下的覆岩破坏规律。研究结果为解决水下采煤遇到的相关难题奠定了基础。关键词：覆岩破坏；相似材料模拟；水下采煤中图分类号:TD325文献标识码A文章编号:1006-8937(201

2、2)08-0010-02水体下采煤是在地表或煤层上覆岩层中存在水体情况下如何实现安全采煤的技术。正确评价水体下采煤的安全合理性，真正掌握水体下安全采煤技术对于提高煤炭资源回收率，以及保护地表水和地下水资源等都具有十分重要的现实意义。通常采矿问题研究方法有理论分析、实际观测及模拟实验三种。模拟实验与前两种研究方法相比，其优点为:可人为控制和改变试验条件，从而可确定单因素或多因素对采矿问题影响的规律，试验效应直观清楚，试验周期短、见效快,相似模拟试验的成功关键在于抓住研究问题的本质，以相似理论为根据，采用

3、先进的试验设备和严谨的工作态度得到极有参考价值的结果。本模拟试验以新安矿为原型，采用相似材料模拟方法，研究矿井不同工作面在实际地质和开采条件下、相同工作面在不同开采方法下、相同工作面在有无断层情况下以及相同工作面在是否留设煤柱情况下的覆岩破坏规律。1工程模拟概况1.1工程概况新安煤矿于1988年底建成投产，开采范围50.3km2,设计生产能力150万"a,主采二叠系山西组二1煤层，煤种为贫瘦煤，设计服务年限83年。当小浪底水库蓄水达到设计水位高程+275m时，新安井田40%面积将位于库盆之下,水体下可

4、采煤炭储量高达8000万to蓄水后，煤层顶底板的直接和间接充水层及第四系孔隙含水层都将得到库区地表水常年的补给，库区水可以通过库区内的塌陷区、废弃钻孔、废弃井筒等通道以灌入式方式进入矿井，对新安煤矿安全开采形成极大影响，存在严重的突水危险，其威胁的严重程度属国内外罕见。1.2模拟概述根据现场的地质和开采条件，模型比例定为200:1,即模型的相似比为200,模型在平面应变模型架上进行，模型体的尺寸：2.0mxl.Omx0.24m（长x高x宽），煤层覆岩施加的应力采用施加外力荷载补偿法来实现，模型开采的时

5、间相似系数为14.14o为调配适合本次试验研究的相似材料，在取得研究工作面覆岩物理力学参数的基础上，选取重晶石粉、石膏、甘油、河砂、澎润土等为模型相似材料，在中国矿业大学工程地质实验室先后进行了多次配料的调配以满足力学模型试验对试验参数的要求，制成11201工作面、14141工作面、14191工作面工程地质力学模型。2模型开采及导水裂隙带发育规律对比分析模型开采为模拟现场推进速度45m/月，采用模拟推进速度21.2m/d的方法开采，模型上的观测内容包括岩层移动的观测和覆岩破坏特征的观测，通过每次各个测

6、点观测结果相对于控制点的相对变化，确定该测点的位移，对模型开采中的特殊现象进行照相、丈量等对导水裂隙带高度进行测量。并记录出现的位置与开采推进距离、时间之间的关系。2.1原始条件开采我们首先以14141工作面的开采为例进行如下分析和说明。整个14141工作面工程地质力学模型的开采过程中，在>z<采厚一定的情况下，导水裂隙带的发育高度随着推进距离的增加而增大，但工作面推进到一定距离后，导水裂隙带不再向上发展。当工作面初次垮落前，覆岩能够维持较好的稳定状态，没有较大范围的岩层垮落，导水裂隙带的发育高度也较

7、低，随着回采的进行，当工作面推进到54m时，岀现初次来压，覆岩急剧垮落，导致冒落带以及导水裂隙带的发育高度迅速增大，此后，冒落带发育高度逐渐回落，稳定在17-20m之间。当工作面推进到60m时，煤层顶板中砂岩及粉砂岩层全部垮落，冒落带高度达到最大值21.82m，此时的冒采比为5.46o随着工作面推进尺寸的逐步增大，导水裂隙带的发育高度也持续稳定增大，裂隙迅速向上扩散，并穿透顶板第一泥岩层，当推进到104m时，发育到最大63.36m（导水裂隙带发育最大值滞后于回采工作面72.5m，按该工作面的实际推进速

8、度1.5m/d,则该工作面采动形成的导水裂隙带高度在开采后约48d发育到最大），此时的裂采比为15.84o同时，在导水裂隙带上方形成明显的弯曲变形带。随后，随着推进长度的进一步加大，导水裂隙带发育高度逐渐回落，并稳定在57~60m之间。同时由实验结果观察到，导水裂隙带的发育呈“马鞍型”分布，两边略高，中间略低，降低的范围出现在采空区中部,与覆岩破坏的理论研究得出的结果完全吻合，这是由于采空区边界受到煤岩壁的支撑，采空区中部断裂、垮落的岩层的受压程度大于采